第三讲：LED驱动电源功率因数如何提高?
品慧电子讯随着LED应用的逐渐普及，21世纪逐步进入以LED为代表的新型固体光源时代。LED的发展离不开高功率、长寿命、低成本的驱动电源，市场上的LED驱动电源往往功率因数不达标。因此，如何提高LED驱动电源的功率因数具有很强的理论意义与现实意义。
美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2谐波含量标准中则规定了功率大于25 W的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)< 35%，而功率因数(PF)>0.94。虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>0.95+)。
图1：有源PFC应用电路示意图
PFC技术包括无源PFC及有源PFC两种。无源PFC方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8或更高的功率因数。其中，在小于5 W至40 W的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7的功率因数。有源PFC(见图1)通常是作为 一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC通常提供升压，交流100至277 Vac的宽输入范围下，PFC输出电压范围达直流450至480 Vdc。如果恰当地设计PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC转换来提供电流稳流。
无源PFC技术
无源PFC技术的原理是使用电感、电容、二极管等无源器件组成滤波网络，来延长整流二极管的导通时间，使输入电流趋于正弦化，从而减少输入电流谐波含量，并且提高电路的功率因数。图2给出了一个典型的LC无源PFC电路结构图。
在图2中Lc和Cc可以实现滤除共模干扰的功能，Ld和Cd 可以实现滤除差模干扰的功能。LC无源滤波电路包括电感Lp和电容Cp，后接桥式整流电路。对Lp和Cp的取值进行合理的设计，不仅能够阻止电路产生的大量高次谐波污染电网，而且还可以减弱电网谐波对电子电路正常工作的影响。
由于这种LC无源PFC电路工作在交流线路频率（50Hz或60Hz），必须使用大而笨重的磁芯电感器，很不适应电子产品小型化和高功率密度的发展趋势，如今已很少在电器产品中使用。
图2：典型无源PFC电路
另一种常见的无源PFC电路是“填谷电路”，它包括3个二极管（VDI-VD3）和2个电解电容（C1，C2），两个电容的电容值应该相等。填谷电路置于整流电路的输出端，该电路通过填平谷点，使输入电流由尖峰脉冲波填充为接近于正弦波的波形。图3给出了填谷电路的电路图，其中Ut表示整流后输入电压，Upk为输入电压峰值，Ua为A节点电压。
图3：填谷电路
有源PFC技术
经过不断的研究和探索，自上世纪末至今，有源PFC技术得到了空前的发展。其主要思想是：按照某种方法或者规律控制开关管的通断，将输入电流波形矫正为与输入电压波形频率相同、相位相同且非常接近正弦波的波形，以提高功率因数和抑制谐波。另一方面，要对输出电压进行监控和调节。
有源PFC技术对功率因数的提高作用显著，可以实现接近于1的高功率因数。有源PFC技术一出现，便引起了广大工程人员和学者的关注，经过多年的研究发展，已经出现了许多成熟的有源PFC电路，按照不同的分类方法可以将有源PFC电路分为多种。
按拓扑结构分类，可将有源PFC电路分为两级PFC和单级PFC电路两大类。
按电流模式分类，可将有源PFC电路分为连续导电模式（CCM）、断续导电模式（DCM）和临界导电断续模式（BCM或TM）三类。
按开关开通机理分类，可将有源PFC电路分为硬开关PFC和软开关PFC，软快关PFC又可以细分为串联谐振型、并联谐振型、串并联谐振型和准谐振型等软开关PFC技术。
推荐阅读：
第一讲：LED驱动电源设计的考虑要素及通用要求
http://www.cntronics.com/opto-art/80020756
第二讲：LED驱动电源拓扑结构如何选择？
http://www.cntronics.com/opto-art/80020776
12下一页>
- 第一页：无源PFC和有源PFC技术
- 第二页：LED驱动电源高功率因数设计案例分析
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美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2谐波含量标准中则规定了功率大于25 W的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)< 35%，而功率因数(PF)>0.94。虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>0.95+)。
图1：有源PFC应用电路示意图
PFC技术包括无源PFC及有源PFC两种。无源PFC方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8或更高的功率因数。其中，在小于5 W至40 W的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7的功率因数。有源PFC(见图1)通常是作为 一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC通常提供升压，交流100至277 Vac的宽输入范围下，PFC输出电压范围达直流450至480 Vdc。如果恰当地设计PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC转换来提供电流稳流。
无源PFC技术
无源PFC技术的原理是使用电感、电容、二极管等无源器件组成滤波网络，来延长整流二极管的导通时间，使输入电流趋于正弦化，从而减少输入电流谐波含量，并且提高电路的功率因数。图2给出了一个典型的LC无源PFC电路结构图。
在图2中Lc和Cc可以实现滤除共模干扰的功能，Ld和Cd 可以实现滤除差模干扰的功能。LC无源滤波电路包括电感Lp和电容Cp，后接桥式整流电路。对Lp和Cp的取值进行合理的设计，不仅能够阻止电路产生的大量高次谐波污染电网，而且还可以减弱电网谐波对电子电路正常工作的影响。
由于这种LC无源PFC电路工作在交流线路频率（50Hz或60Hz），必须使用大而笨重的磁芯电感器，很不适应电子产品小型化和高功率密度的发展趋势，如今已很少在电器产品中使用。
图2：典型无源PFC电路
另一种常见的无源PFC电路是“填谷电路”，它包括3个二极管（VDI-VD3）和2个电解电容（C1，C2），两个电容的电容值应该相等。填谷电路置于整流电路的输出端，该电路通过填平谷点，使输入电流由尖峰脉冲波填充为接近于正弦波的波形。图3给出了填谷电路的电路图，其中Ut表示整流后输入电压，Upk为输入电压峰值，Ua为A节点电压。
图3：填谷电路
有源PFC技术
经过不断的研究和探索，自上世纪末至今，有源PFC技术得到了空前的发展。其主要思想是：按照某种方法或者规律控制开关管的通断，将输入电流波形矫正为与输入电压波形频率相同、相位相同且非常接近正弦波的波形，以提高功率因数和抑制谐波。另一方面，要对输出电压进行监控和调节。
有源PFC技术对功率因数的提高作用显著，可以实现接近于1的高功率因数。有源PFC技术一出现，便引起了广大工程人员和学者的关注，经过多年的研究发展，已经出现了许多成熟的有源PFC电路，按照不同的分类方法可以将有源PFC电路分为多种。
按拓扑结构分类，可将有源PFC电路分为两级PFC和单级PFC电路两大类。
按电流模式分类，可将有源PFC电路分为连续导电模式（CCM）、断续导电模式（DCM）和临界导电断续模式（BCM或TM）三类。
按开关开通机理分类，可将有源PFC电路分为硬开关PFC和软开关PFC，软快关PFC又可以细分为串联谐振型、并联谐振型、串并联谐振型和准谐振型等软开关PFC技术。
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