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【原创】浅谈单级PFC在LED驱动中的应用

单级PFC目前是热门应用,但必须认识到它存在的问题,虽然他把PFC和反激电源结合在一起,但应用起来却要面对安规问题,大家可以把这些电源的恒流恒部分的VCC短路到地,光耦两脚短路会出现什么现象?利用PWM电源制作恒流LED驱动应是当前最多应用才对,低纹波,完善的多重保护,LED驱动电源才能经得起考验。以上是我个人心得,请尽多指正。

由于LED光源的环保和低功率应用可以替代现有的白炽灯和荧光类节能灯及后来发展的三基色,CCFL,而使LED驱动电源面临前所未有的发展机遇。但现在所有安规和客户均要求在电源上添加PFC功能,以满足节能需求。

其实PFC除了校正了电流波形外,还使初级使用电流实际值下降,在相同功率的用电器上,使用PFC后会使用电电流减少,从而使电表度数相应减少即减少耗能。

单级PFC的出现使原来使用在只有在75W以上开关电源中前端的PFC校正电路成为热门应用,单级PFC电路实际由两套电路合成的,前级是单纯的PFC校正电路,主要方式是取电路前端的电压信号和电流信号进行比较,由错误乘法器来校正比较中出现的错位部分。

后级就是降压部分,通过变压器的初次级的圈数比使电压下降至所需电压,而变压器初级主绕组相当于PFC电感,隔离后的光耦实际上是调整PIN1的电位,输出部分肖特特基或者快恢复二极管实际上相当于PFC电路的整流二极管(我们常用的MUR460),这就是单极PFC输出电流大以后肖特特基或者快恢复二极管损耗变大的原因,必须用填硅胶方式来使其损耗变小。后极控制部分实际上就是对输出电压和电流进行调整的电路,LM358/AP4310/101AC恒流恒压,限压恒流是目前应用最多的方式。

 

上图中是一款L6562D带DIMMING调光的电路图,我们来剖析电路:

输入MEF电容是PFC电路压取样,阻容吸收回路,VCC供电电路,L6562D电路,光耦调制PIN1电路,MOS管电路。这些电路与次级的光耦,整流的二极体电路为PFC电路的主体部分,其中任何一个电路故障PFC电路不工作或者工作不正常。

这个电路唯一的功能就是次级短路保护非常灵敏。大家可以看到我们常用的OCP,OVP,OPP保护在这里没有表现出来,如果安规测试中短路次级光耦,恒流IC相临两脚即恒流恒压失效,这个电路中电压电流会升高,输出电容超过额定电压会起爆,FAIL。安规安全上存在巨大漏洞,当然可以通过在MOS管S脚取样,比较后去控制PIN1使PFC电路在可控范围内不至于电压电流失控。而我看到众多工程师照抄ST公司的电路,使很多的LED电源处在危险中。

其实PWM电路这么多年已日趋走向成熟,IC内部集成OCP,OVP,OPP功能,已经完善得无可挑剔,PFC做前级是可以解决10-60W间PFC问题。

下面我来揭露一下单级PFC的很多问题:
1.前级PFC电路THD很容易做到10%左右,而单级PFC只能做到25%左右。

2.浪涌雷击安规问题:前级PFC后有大电容吸收能量,而单级PFC初级却赤裸裸的暴露在电网中,一般做到2KV至少需要两级压敏电阻,目前很多这种电源1KV已很不错了。

3.过流过压过功率保护问题:单级PFC的IC是一个解决电流失真调制THD的电路,不可能内置这些功能,不过我在网上看到有部分IC厂商已意识到这个问题,已在IC内尽可能集成这些功能,但还没有经市场检验。不过可以通过限制PIN电平也可以解决这个问题。

4.单级工作频率高,而且属于调频方式,工作在80-150Khz间,这是我目前测到的,,解决EMI问题难解决,这是很多工程师报怨单级PFC头疼的原因。

5.后级恒流问题:目前大家用的后级大部分是LM358,AP4310,TSM101AC或者类似的IC作比较器,单级PFC的纹波是高达3-10V的100Hz波,当初设计这些比较器时没有考虑到我们会用这么高纹波的VCC供电,输入输出端口,这样会引起比较器误读,有时比较器会失效。上这个网站:http://cn.inventronics-co.com/英飞特纹波描述得非常详细。

6.关于纹波电压问题:上面已经讲了,但是会引起纹波电流,而且很大,这样的话在驱动LED时纹波电压会由于LED整流的特性增加驱动LED的电流,不过很小50mA以内。
单级PFC电路本身存在的问题决定了大多数朋友们的电源没有经过安规检验,明纬和英飞特也相继研发了单级PFC电路,他们也和我们一样遇到同样的问题。但是这些问题是可以解决的。但我建议大家不要盲从,要清醒得认识到这些问题。以上不知道总结得对不对,还请同行们抛砖。

浅谈单级PFC在LED驱动中的应用 

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林建良
LV.7
2
2010-08-04 07:50

明纬和英飞特也相继研发了单级PFC电路,他们也和我们一样遇到同样的问题。但是这些问题是可以解决的。與PWM電源制作的恆流LED驅動一樣都是OVP現象, 輸出或IC的VCC並ZENER將FUSE拉斷即可.

 

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wqgme88
LV.3
3
2010-08-04 11:06
@林建良
明纬和英飞特也相继研发了单级PFC电路,他们也和我们一样遇到同样的问题。但是这些问题是可以解决的。與PWM電源制作的恆流LED驅動一樣都是OVP現象,輸出或IC的VCC並ZENER將FUSE拉斷即可. 
在LED电源存在一个致命的问题:就是浪涌雷击问题,他是关系到电源长寿命的一个关键因素,这是我放弃单级PFC的主要原因。我看了明纬和英飞特的规格书,这个问题没解决。
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2010-08-04 15:43
浅谈单级PFC在LED驱动中的应用,一针见血说出了要害,看来你是单级PFC的高手,我在调试中遇到了一模一样的问题。有时间时多交流QQ:1228429770,你说你放弃了单级PFC,那么你怎么解决PFC问题?
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wqgme88
LV.3
5
2010-08-05 08:39
@电源十五载
浅谈单级PFC在LED驱动中的应用,一针见血说出了要害,看来你是单级PFC的高手,我在调试中遇到了一模一样的问题。有时间时多交流QQ:1228429770,你说你放弃了单级PFC,那么你怎么解决PFC问题?
我现在在做10W-30W间PFC+PWM+恒流的模式,而且尽量小型化,利用开关电源的多重保护功能使安规不再纠结。早在三年前我已经做出了单级PFC,已过认证(UL8750),后来量产问题颇多,最安键的是次级恒流恒压失控,比较器无法接受大纹波的信号,不良率很多高,只有一条路就是在各输入端口滤除杂波,输出的100Hz纹波没有杂讯才行。已过多年,我想把这些说出来,供大家参考。
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wqgme88
LV.3
6
2010-08-05 09:15
@wqgme88
我现在在做10W-30W间PFC+PWM+恒流的模式,而且尽量小型化,利用开关电源的多重保护功能使安规不再纠结。早在三年前我已经做出了单级PFC,已过认证(UL8750),后来量产问题颇多,最安键的是次级恒流恒压失控,比较器无法接受大纹波的信号,不良率很多高,只有一条路就是在各输入端口滤除杂波,输出的100Hz纹波没有杂讯才行。已过多年,我想把这些说出来,供大家参考。

我看到很多朋友们说EMI难过,其实现在单级PFC现在对于EMI已经很简单了,他有三个要点必须在画板时考虑进去:

1.必须在L,N线上加差模电感或者分别在L,N线串一颗电感。

2.必须在整流后正端或负端加一毫亨级电感(镍锌)或者其他材质均可。

3.另一个选择的方法是在输出线串入差模电感,隔开与LED灯串的干扰。

还有一点:要使变压器的漏感控制在总电感的1%以下。

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2010-08-05 09:34
@wqgme88
我看到很多朋友们说EMI难过,其实现在单级PFC现在对于EMI已经很简单了,他有三个要点必须在画板时考虑进去:1.必须在L,N线上加差模电感或者分别在L,N线串一颗电感。2.必须在整流后正端或负端加一毫亨级电感(镍锌)或者其他材质均可。3.另一个选择的方法是在输出线串入差模电感,隔开与LED灯串的干扰。还有一点:要使变压器的漏感控制在总电感的1%以下。

其实PFC除了校正了电流波形外,还使初级使用电流实际值下降,在相同功率的用电器上,使用PFC后会使用电电流减少,从而使电表度数相应减少即减少耗能。

PFC减小耗能?请不要误导大家,只PFC是你让电流跟电压尽量同相,提高电网的利用率。提高PF,并不是减少耗能,只是提高电网利用率。民用电表都是有功电量计量。并不存在加了PFC就是减小耗能。

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wqgme88
LV.3
8
2010-08-05 10:03
@牵只蚂蚁散步
其实PFC除了校正了电流波形外,还使初级使用电流实际值下降,在相同功率的用电器上,使用PFC后会使用电电流减少,从而使电表度数相应减少即减少耗能。PFC减小耗能?请不要误导大家,只PFC是你让电流跟电压尽量同相,提高电网的利用率。提高PF,并不是减少耗能,只是提高电网利用率。民用电表都是有功电量计量。并不存在加了PFC就是减小耗能。
在日本,东盟有些国家是全功率电表,只有我们国家是有功电表。
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2010-08-05 13:52
@wqgme88
在日本,东盟有些国家是全功率电表,只有我们国家是有功电表。

有民用和工业用电之分的。我国工业用电无功功率达到一定也是要计费的。

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2010-08-05 16:13
@wqgme88
我现在在做10W-30W间PFC+PWM+恒流的模式,而且尽量小型化,利用开关电源的多重保护功能使安规不再纠结。早在三年前我已经做出了单级PFC,已过认证(UL8750),后来量产问题颇多,最安键的是次级恒流恒压失控,比较器无法接受大纹波的信号,不良率很多高,只有一条路就是在各输入端口滤除杂波,输出的100Hz纹波没有杂讯才行。已过多年,我想把这些说出来,供大家参考。

做好后次级绝不会失控,不用比较器照样能恒压恒流,10W-30W时只是体积做不了太小,还有电磁兼容问题有点担心。你现在是PFC+PWM+恒流模式,成本一定较高,客户能接收吗?

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2010-08-05 16:24
@wqgme88
我看到很多朋友们说EMI难过,其实现在单级PFC现在对于EMI已经很简单了,他有三个要点必须在画板时考虑进去:1.必须在L,N线上加差模电感或者分别在L,N线串一颗电感。2.必须在整流后正端或负端加一毫亨级电感(镍锌)或者其他材质均可。3.另一个选择的方法是在输出线串入差模电感,隔开与LED灯串的干扰。还有一点:要使变压器的漏感控制在总电感的1%以下。

1:在L,N线上加差模还是共模?

2:在整流后正端或负端加一毫亨级电感是否有点大?

3:另一个选择的方法是在输出线串入差模电感,隔开与LED灯串的干扰???

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wqgme88
LV.3
12
2010-08-05 17:58
@电源十五载
做好后次级绝不会失控,不用比较器照样能恒压恒流,10W-30W时只是体积做不了太小,还有电磁兼容问题有点担心。你现在是PFC+PWM+恒流模式,成本一定较高,客户能接收吗?
其实PFC+PWM+恒流在很多工程师看来,成本高而且体积做不小。先说成本,PFC电路有两个元件MOS+PFC电感,做10-30W时PFC电感可以做小,EF20-EI22均可,频率做到50-120kHz就可满足需求,成本可控制在4元以内。再说体积,可以通过优化PCB布线来解决。客户要的是高可靠性,经得起考验,成本可以通过其他路径吸收,如果不良品过多,再便宜的东西也没用。
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2010-08-06 08:49
@wqgme88
其实PFC+PWM+恒流在很多工程师看来,成本高而且体积做不小。先说成本,PFC电路有两个元件MOS+PFC电感,做10-30W时PFC电感可以做小,EF20-EI22均可,频率做到50-120kHz就可满足需求,成本可控制在4元以内。再说体积,可以通过优化PCB布线来解决。客户要的是高可靠性,经得起考验,成本可以通过其他路径吸收,如果不良品过多,再便宜的东西也没用。

不论是单级还是多级,只有在非常可靠的情况下才能谈其它的事情,再说级数越多,元件越多,可靠性就越难做好,你说的4元是PFC的成本吧,不包括其它部分。

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stevenwzy
LV.2
14
2010-08-10 14:54

首先赞一个,楼主分析的很对!!

其次请各位大神看看我这个吧!

1. 概要
LC5500系列,将功率MOSFET与控制IC集成于同一Package,适用于无输入电解电容方式的准共振开关电
源IC。
通过平均电流控制可实现高功率因素,且此IC为准共振动作方式,可实现高效率・低噪声。
采用DIP8封装,具有丰富的保护功能,容易构成外部元件少、高性价比的电源系统。
2. 特征及产品系列表
特长及优点

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nk6108
LV.8
15
2010-08-10 19:50

以我理解,第一帖那电路是隔离式馈电,因光耦在负载端,故非PSR,

而PFC是以時分法达到压流强制同相之目的,改变这些脉冲的宽度就可稳压或恒流,

在雷暴面前,任何电器都是不堪一击的,想解决问题,除非先让电网避免受击吧?!

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wqgme88
LV.3
16
2010-08-11 09:19
@nk6108
以我理解,第一帖那电路是隔离式馈电,因光耦在负载端,故非PSR,而PFC是以時分法达到压流强制同相之目的,改变这些脉冲的宽度就可稳压或恒流,在雷暴面前,任何电器都是不堪一击的,想解决问题,除非先让电网避免受击吧?!

兄弟分析得有道理,但是单级PFC不可能调制脉冲的宽度,我的本意不是说单级PFC不可以用,只要客人同意可以用,但要正视他的缺点,提醒大家在使用单级PFC要考虑这些问题。另外安规是个量化的标准,制定过程是经过验证的,不能以我们的想法去绕过他。

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powermon
LV.2
17
2010-08-11 20:55
**此帖已被管理员删除**
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wqgme88
LV.3
18
2010-08-12 08:43
@powermon
**此帖已被管理员删除**

兄弟做得不错,得向你学习。另有一点需要补充的是:

1.单级PFC后级电容是不参与充放电工作的,只是用来平滑输出波形的,所以他的温升

   不高,电容长寿命可以保证。

2.单级PFC工作频率很高,可以缩小变压器体积,而且温升也低,在输出小电流高电压

   的情况表现出来的优势很明显。

另外前面描述的这句话有误:其实PFC除了校正了电流波形外,还使初级使用电流实际值下降,在相同功率的用电器上,使用PFC后会使用电电流减少,从而使电表度数相应减少即减少耗能。

现更正一下:其实单级PFC除了实现隔离降压外,同时也校正电流波形,使得电源的成本和体积缩小,这是单级PFC能够走向市场并逐渐成熟的根本原因。

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xinpian1
LV.1
19
2010-08-12 10:57
第一帖那电路是隔离式馈电,因光耦在负载端,故非PSR,

而PFC是以時分法达到压流强制同相之目的,改变这些脉冲的宽度就可稳压或恒流,

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led灯具
LV.3
20
2010-08-12 16:19
@wqgme88
兄弟做得不错,得向你学习。另有一点需要补充的是:1.单级PFC后级电容是不参与充放电工作的,只是用来平滑输出波形的,所以他的温升  不高,电容长寿命可以保证。2.单级PFC工作频率很高,可以缩小变压器体积,而且温升也低,在输出小电流高电压  的情况表现出来的优势很明显。另外前面描述的这句话有误:其实PFC除了校正了电流波形外,还使初级使用电流实际值下降,在相同功率的用电器上,使用PFC后会使用电电流减少,从而使电表度数相应减少即减少耗能。现更正一下:其实单级PFC除了实现隔离降压外,同时也校正电流波形,使得电源的成本和体积缩小,这是单级PFC能够走向市场并逐渐成熟的根本原因。
认证不太清楚,不过明纬的单极电源做得还是不错的,测试下来很稳定。当然只是常规测试!在电子负载和LED灯上做的电气性能测试
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nk6108
LV.8
21
2010-08-12 19:50
@wqgme88
我看到很多朋友们说EMI难过,其实现在单级PFC现在对于EMI已经很简单了,他有三个要点必须在画板时考虑进去:1.必须在L,N线上加差模电感或者分别在L,N线串一颗电感。2.必须在整流后正端或负端加一毫亨级电感(镍锌)或者其他材质均可。3.另一个选择的方法是在输出线串入差模电感,隔开与LED灯串的干扰。还有一点:要使变压器的漏感控制在总电感的1%以下。

回复第6帖:

雷电没法挡隔,只能疏导,若然在电源线串上电抗,是不是可以在电抗群与主体电路之间插入「突波吸收元件」以发挥有限的泻雷作用呢

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蓝ing
LV.4
22
2010-08-12 20:58
@powermon
**此帖已被管理员删除**

你好!我对你的电源非常感性趣哦,nuthig@163。com

有合作意向的话,请联系我

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pin0208
LV.7
23
2010-08-13 08:25

你的第一条问题和纹波问题我不认同,THD部分本人有做过测试的,本人做的9W和16W的在12%,40W的在16%,60W的在18%,THD要看你的PF值是否调得好,一般对于宽电压:85V时0.995, 265V时0.97能做到的话就不存在问题.再说了,对于功率稍大的一般是路灯\隧道灯\庭院灯等,根本没有必要做宽电压输入,PF值在低压范围做到0.985以上不成问题,在高压输入时做到0.98以上也不成问题;至于纹波的话就看你用的输出滤波电容够不够了,如果你用到3000uF以上的话60W以下的不会大,本人做的60W,48V输出的,用了4个820uF的电解电容,输出纹波不超过500mV;至于其他的保护电路可以通过外部电路来完成.主要还是看成本了,一切都是成本在作祟.

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testt
LV.1
24
2010-08-13 14:30
很不错,收藏了
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xy_k8299
LV.6
25
2010-08-13 17:06
@pin0208
你的第一条问题和纹波问题我不认同,THD部分本人有做过测试的,本人做的9W和16W的在12%,40W的在16%,60W的在18%,THD要看你的PF值是否调得好,一般对于宽电压:85V时0.995,265V时0.97能做到的话就不存在问题.再说了,对于功率稍大的一般是路灯\隧道灯\庭院灯等,根本没有必要做宽电压输入,PF值在低压范围做到0.985以上不成问题,在高压输入时做到0.98以上也不成问题;至于纹波的话就看你用的输出滤波电容够不够了,如果你用到3000uF以上的话60W以下的不会大,本人做的60W,48V输出的,用了4个820uF的电解电容,输出纹波不超过500mV;至于其他的保护电路可以通过外部电路来完成.主要还是看成本了,一切都是成本在作祟.
单级,THD、10%基本上是个门槛
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wqgme88
LV.3
26
2010-08-13 17:41
@pin0208
你的第一条问题和纹波问题我不认同,THD部分本人有做过测试的,本人做的9W和16W的在12%,40W的在16%,60W的在18%,THD要看你的PF值是否调得好,一般对于宽电压:85V时0.995,265V时0.97能做到的话就不存在问题.再说了,对于功率稍大的一般是路灯\隧道灯\庭院灯等,根本没有必要做宽电压输入,PF值在低压范围做到0.985以上不成问题,在高压输入时做到0.98以上也不成问题;至于纹波的话就看你用的输出滤波电容够不够了,如果你用到3000uF以上的话60W以下的不会大,本人做的60W,48V输出的,用了4个820uF的电解电容,输出纹波不超过500mV;至于其他的保护电路可以通过外部电路来完成.主要还是看成本了,一切都是成本在作祟.

谢谢你的意见,单级PFC的THD确实有下降的空间,最好的在12%左右,但我们后来发现THD下降和PF值升高的背后破坏了输入端的电压波形,当然可以用L6562这样的IC,因为他内含极低THD的修正电路,另外有一点须认识到PF值的升高并不能直接降低THD。关于纹波问题,我看到很多人包括ST的推荐电路都有过用多颗电容并联降低其纹波电压,但他输出永远是100Hz的低频波形,如果制作出来的LED灯在0.5-1米以外才会不伤眼睛,尽量在台灯或者其他近视距的灯具中不用单级PFC电路。

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nk6108
LV.8
27
2010-08-13 19:12
@wqgme88
我现在在做10W-30W间PFC+PWM+恒流的模式,而且尽量小型化,利用开关电源的多重保护功能使安规不再纠结。早在三年前我已经做出了单级PFC,已过认证(UL8750),后来量产问题颇多,最安键的是次级恒流恒压失控,比较器无法接受大纹波的信号,不良率很多高,只有一条路就是在各输入端口滤除杂波,输出的100Hz纹波没有杂讯才行。已过多年,我想把这些说出来,供大家参考。

回复第5帖:

第一帖那电路,是先平波后供流的模式,而且是很普通的单节单个电容滤波而矣,E_c7 始终维持在较高水平,市电功因按理该好不到哪儿去,

虽可藉恒流达成宽压供电,但电压的变化,会透过变压比在次级显露,单靠电容滤波,想波形平直,除非无载,当你加载时,纹波必定再度浮现!

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utc2008
LV.2
28
2010-08-17 14:02
@testt
很不错,收藏了

用L6562做单级PFC,带负载还是可以的,比较稳定,纹波对于LED来说,只要尽量小,是可以接受的。但是如果用单级PFC来做调光,就有待考量了,因为单级PFC在空载或负载比较小的时候,输出会出现抖动,LED频闪。如果加假负载,又会增加内耗。我测试过几家公司的单级PFC电源,包括自己做的单级PFC,都存在轻载时抖动。

以上是在调试调光电源时遇到的问题。请各位高手指正

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hwzl188
LV.3
29
2010-08-31 09:21
@pin0208
你的第一条问题和纹波问题我不认同,THD部分本人有做过测试的,本人做的9W和16W的在12%,40W的在16%,60W的在18%,THD要看你的PF值是否调得好,一般对于宽电压:85V时0.995,265V时0.97能做到的话就不存在问题.再说了,对于功率稍大的一般是路灯\隧道灯\庭院灯等,根本没有必要做宽电压输入,PF值在低压范围做到0.985以上不成问题,在高压输入时做到0.98以上也不成问题;至于纹波的话就看你用的输出滤波电容够不够了,如果你用到3000uF以上的话60W以下的不会大,本人做的60W,48V输出的,用了4个820uF的电解电容,输出纹波不超过500mV;至于其他的保护电路可以通过外部电路来完成.主要还是看成本了,一切都是成本在作祟.
请问各位大侠,一般单级PFC的效率能做到多少呀???
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哈米
LV.1
30
2010-09-19 17:17

楼主分析非常到位!!对现有缺点也非常了解!!

目前我这边的调试效果如下:

1. 我现在做的单级PFC电路在264V时THD总谐波<8%,功率18W的灯管LED驱动。

2. 光耦环路开环后整机会停机工作,不会产生过压危险。

至于你说的雷击浪涌问题,这方面经验不多,希望能与你多交流。

再谈一下单级PFC的发展趋势:单级PFC目前确实有一些缺点,究其原因主要是以前的6562等产品都是为Boost设计,没有针对LED的单级优化。我认为以后大概的发展方向有以下2点:

1> PSR原边反馈的单级PFC。省去次级繁琐的恒流恒压电路,全部由原边实现。

2> 由目前的CRM临界模式发展为CCM模式或者多模式,好处是可以缩小变压器体积。目前临界模式的初级峰值电流太大导致变压器利用率不高。

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2010-09-20 16:04
@pin0208
你的第一条问题和纹波问题我不认同,THD部分本人有做过测试的,本人做的9W和16W的在12%,40W的在16%,60W的在18%,THD要看你的PF值是否调得好,一般对于宽电压:85V时0.995,265V时0.97能做到的话就不存在问题.再说了,对于功率稍大的一般是路灯\隧道灯\庭院灯等,根本没有必要做宽电压输入,PF值在低压范围做到0.985以上不成问题,在高压输入时做到0.98以上也不成问题;至于纹波的话就看你用的输出滤波电容够不够了,如果你用到3000uF以上的话60W以下的不会大,本人做的60W,48V输出的,用了4个820uF的电解电容,输出纹波不超过500mV;至于其他的保护电路可以通过外部电路来完成.主要还是看成本了,一切都是成本在作祟.
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