臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要發展非隔離型高功因LED 照明驅動電路相關技術，論文探討目前各式LED 驅動電路，包括隔離型與非隔離型式，亦探討各式調整功率因數的方法，據以提出一採用降壓式連續導通模式功因調整(CCM PFC)架構及使用固定截止時間峰值電流模式控制及之LED 驅動電路，兼具高功因、高電流精確度、高效率及低成本等優點。為解決單相單級高功因LED 驅動電路輸出二次漣波電流之問題，本論文進一步提出一虛功補償電路以補償二次虛功，使LED 電流為低漣波，同時可以不需使用電解質電容。最後再進一步所提將降壓式高功因之LED驅動電路應用於路燈，藉由所提電路之簡單性降低路燈驅動電路之成本，同時藉由無電解電容之設計提高路燈之壽命。本論文除詳述所提電路之原理與設計方法外，亦藉由一些模擬與實驗結果來驗證其有效性。

This thesis mainly develops the technology of the non-isolated high power factor LED driver. Various LED drivers including the isolated and non-isolated topologies and the related power factor control methods are explored. Accordingly, a constant off-time (COT) peak current mode control LED driver based on buck continuous conduction mode (CCM) power factor control (PFC) circuit is proposed. It possesses the advantages of high power factor, high current precision, high efficiency and low cost. To solve the second order reactive power problem of the single-phase single-stage high power factor (PF) LED driver, a reactive power compensator is presented to reduce the current ripple of the LED and omit the electrolytic capacitor (E-cap). Finally, this thesis also extends the non E-cap LED driver to the street light application to simply the circuit design and reduce the cost, and the most important contribution is to remove the E-cap to improve the reliability and thus prolong the life cycle. This thesis provides the detail circuit and controller design, the effectiveness of the proposed methods is confirmed with some
simulated and experimental results.

摘 要. ....................................................................................................... I
Abstract… ................................................................................................. …II
目 錄…. ..................................................................................................... III
圖 目 錄. ...................................................................................................... V
表 目 錄. ...................................................................................................... X
第一章 緒論 .................................................................................................. 1
1.1 研究背景 ........................................................................................ 1
1.2 研究目的 ........................................................................................ 6
1.3 論文架構 ........................................................................................ 7
第二章 各式LED 驅動電路探討 ............................................................. 11
2.1 LED 驅動電路分類 ..................................................................... 11
2.2 小功率隔離式LED 照明之驅動電路分析 ................................. 15
2.3 小功率非隔離式LED 照明之驅動電路分析 .............................. 20
2.4 所提非隔離式LED 照明之驅動電路 ......................................... 25
第三章 具有高功因降壓式LED 驅動電路 .............................................. 29
3.1 降壓式DCM PFC 電路分析 ....................................................... 29
3.2 所提電流模式控制之降壓式CCM PFC 控制方法 ..................... 37
3.3 所提高功因降壓式LED 驅動電路之設計 ................................. 45
3.3.1 COT 峰值電流控制迴路設計 ............................................. 46
3.3.2 平均電流迴路之設計.......................................................... 47
3.4 電路製作及實驗結果 .................................................................. 49
3.4.1 Constant off-time 之實現 .................................................... 49
3.4.2 電路製作及實驗結果.......................................................... 51
第四章 無電解質電容之高功因降壓式LED 驅動電路 .......................... 57
4.1 所提無電解電容(No E-Cap)之高功因LED 驅動電路 ............... 57
4.2 虛功補償器之設計 ...................................................................... 59
4.2.1 電流控制器之設計 ............................................................. 59
4.2.2 電壓控制器之設計 ............................................................. 61
4.3 模擬與實驗驗證 .......................................................................... 63
第五章 LED 路燈驅動電路之探討 .......................................................... 67
5.1 各式LED 路燈驅動電路分析 ..................................................... 67
5.2 兩級式LED 驅動電路分析與實驗 ............................................. 72
5.2.1 升壓式BCM 功率因素修正器之分析與設計 .................... 73
5.2.2 半諧振式反馳式轉換器之設計 .......................................... 84
5.2.3 電路製作與實驗 ................................................................. 85
5.2.4 量測結果 ............................................................................. 86
5.3 無電解電容方法之探討 .............................................................. 88
第六章 結論與未來研究方向 ................................................................... 93
附 錄.................................................................................................... 99
圖 目 錄
圖1.1 全世界主要國之能源需求趨勢與預測 .......................................... 3
圖1.2 1990~2005 年全世界之能源需求與製造成長比較 ....................... 3
圖1.3 全球各國對於商品節能標準之認證 .............................................. 3
圖1.4 電腦電源供應器之80 Plus 認證 ................................................... 4
圖1.5 IEC1000-3-2 Class C(照明產品)認證之諧波標準 ......................... 4
圖2.1 目前LED 驅動電路之分類 ......................................................... 11
圖2.2 IEC-1000-3-2 對於PF 之規範 ..................................................... 12
圖2.3 (a)小於25W LED 驅動電路：降壓式轉換器(Buck converter) ... 12
圖2.3 (b)小於25W LED 驅動電路：Flyback converter ........................ 13
圖2.4 採用被動式PFC(valley fill)之LED 驅動電路 ............................ 14
圖2.5 主動式功因修正(PFC)電路(Boost PFC+Flyback) ....................... 14
圖2.6 單級PFC 電路.............................................................................. 14
圖2.7 Boost PFC + LLC Resonant Converter .......................................... 15
圖2.8 Boost PFC + QR Flyback Converter ............................................. 15
圖2.9 Flyback+384X 控制LED 驅動電路 ............................................. 16
圖2.10 Flyback+L656X 高功因控制LED 驅動電路 ............................... 17
圖2.11 Flyback+L656X 高效率控制LED 驅動電路 ............................... 18
圖2.12 Flyback+L656X 高功因控制及定頻LED 驅動電路 ................... 18
圖2.13 以Boost + Forward S4 PFC 為基礎之 LED 驅動電路 ................ 19
圖2.14 無光耦合Flyback LED 驅動電路 ................................................ 20
圖2.15 定頻式峰值電流控制之降壓式LED 驅動電路 .......................... 21
圖2.16 固定截止時間峰值電流控制之降壓式LED 驅動電路 ............... 22
圖2.17 正弦波調制及固定截止時間峰值電流控制之降壓式LED 驅動電路 ...................................................... 23
圖2.18 採用ACTL 信號產生電流命令及固定截止時間峰值電流控制之降壓式LED 驅動電路 ............................................. 25
圖2.19 本論文所提外迴路採平均電流控制及內迴路採固定截止時間峰值電流控制之降壓式LED 驅動電路 ............................... 26
圖2.20 所提加入需功補償器之LED 驅動電路 ..................... 27
圖3.1 (a)降壓式PFC 轉換器 ；(b)DCM 下之輸入電流波形； (c) 輸入的I-V 特性曲線 .............................................. 30
圖3.2 採用CRM 控制方法之升壓式PFC 電路 ...................... 31
圖3.3 升壓式PFC 電路之模擬結果 ............................. 33
圖3.4 採用50kHz PWM 切換控制之降壓式PFC 模擬電路 ............ 34
圖3.5 降壓式DCM PFC 電路之模擬結果 ....................... 36
圖3.6 升壓式與降壓式PFC 電路之性能比較圖 ...................... 36
圖3.7 所提COT 峰值電流模式控制之降壓式CCM PFC 電路............ 38
圖3.8 輸入電壓取樣電路之原理 ............................... 39
圖3.9 COT 峰值電流模式控制之降壓式CCM PFC 電路工作模式 ..... 41
圖3.10 採用COT 峰值電流模式控制之降壓式CCM PFC 模擬電路 .... 41
圖3.11 降壓式CCM PFC 電路之模擬結果 ..................... 43
圖3.12 降壓式DCM PFC 與CCM PFC 電路之性能比較圖 .............. 44
圖3.13 具有高功因降壓式LED 驅動電路系統架構 ................... 45
圖3.14 COT 峰值電流模式控制之降壓式CCM LED 驅動電路工作模式................................................................... 46
圖3.15 平均電流控制迴路之控制方塊圖................................................ 48
圖3.16 平均電流控制迴路之波德圖 ....................................................... 48
圖3.17 555 振盪器實現單擊電路 .............................. 49
圖3.18 RC 充放電 ....................................... 50
圖3.19 所提高功因降壓式LED 驅動電路模擬電路圖 ................. 52
圖3.20 平均電流控制迴路之系統頻率響應 ........................ 52
圖3.21 110Vac 下之模擬波形圖 ................................ 53
圖3.22 90Vac 實作輸入電壓及電流波形.......................... 53
圖3.23 100Vac 實作輸入電壓及電流波形 .................... 54
圖3.24 110Vac 實作輸入電壓及電流波形 ......................... 54
圖3.25 120Vac 實作輸入電壓及電流波形 ...................... 55
圖3.26 130Vac 實作輸入電壓及電流波形 .................... 55
圖3.27 110Vac 實作LED 輸出電壓及電流波形(V=40/div,I=0.5A/div) .. 56
圖4.1 高功因降壓式LED 驅動電路各部份之電壓及電流波形 ........... 58
圖4.2 所提無電解質電容之高功因降壓式LED 驅動電路 ................... 58
圖4.3 所提需功補償器之控制電路 ....................................................... 59
圖4.4 所提需功補償器之電流控制迴路................................................ 60
圖4.5 所提需功補償器之電流控制迴路波德圖 .................................... 60
圖4.6 半橋式轉換器之電壓迴路設計等校電路 .................................... 61
圖4.7 所提需功補償器之電壓控制迴路................................................ 62
圖4.8 所提虛功補償器之電壓控制迴路波德圖 .................................... 62
圖4.9 所提無電解質電容之降壓式高功因LED 驅動電路之模擬 ....... 63
圖4.10 所提無電解質電容之降壓式高功因LED 驅動電路之模擬結果64
圖4.11 所提無電解質電容之降壓式高功因LED 驅動電路之 ............... 65
圖5.1 LED 路燈之LED 連接方式：(a)多通道式，(b)矩陣式 ............. 68
圖5.2 ATX power 之電路架構 ............................................................... 69
圖5.3 基於ATX power 之三級式LED 驅動電路架構 ......................... 70
圖5.4 採用LED 陣列連接之兩級式LED 驅動電路架構 ..................... 70
圖5.5 採用CRM PFC 為基礎及LED 陣列連接之單級式LED 驅動電路架構 ...................................................... 71
圖5.6 本論文所探討採用兩級式LED 驅動電路之架構....................... 72
圖5.7 電感電流操作於邊界導通模式 ................................................... 74
圖5.8 變頻固定導通時間電壓控制電路................................................ 75
圖5.9 變頻固定導通時間電壓控制之時序圖 ........................................ 75
圖5.10 輸出等效電路圖 ........................................................................... 77
圖5.11 電壓迴路控制方塊圖 ................................................................... 79
圖5.12 電壓迴路波德圖 ........................................................................... 80
圖5.13 加入前饋控制之電路圖 ............................................................... 80
圖5.14 加入前饋控制之電壓迴路控制方塊圖 ........................................ 81
圖5.15 加入前饋控制之電壓迴路波德圖................................................ 81
圖5.16 適應性隨輸入電壓調整輸出電壓準位之方法 ............................ 82
圖5.17 半諧振式反馳式轉換器及其工作波形 ........................................ 85
圖5.18 輸入電壓及電流之量測波形 ....................................................... 88
圖5.19 降壓式 DCM PFC 結合無控制推挽式 DC-DC 轉換器 ............. 90
圖5.20 降壓式 DCM PFC 結合QR flyback 轉換器之LED 驅動電路 .. 90
圖5.21 具輸出虛功補償電路之採用降壓式 CCM PFC 之LED 驅動電路............................ 91
表 目 錄
表3.1 SR 真值表 ..................................................................................... 50
表3.2 實際量測各項PF 及效率數據 ........................... 56
表5.1 60W LED 路燈驅動電路規格 ...................................................... 86
表5.2 量測結果(未加入電壓適應控制及PF 前饋控制) ............... 87
表5.3 量測結果(加入電壓適應控制及PF 前饋控制) ................. 87

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