如何将总谐波失真降至 10% 以下

LED 照明领域普遍关注的问题一直是如何将总谐波失真 (THD) 保持在 10% 以下。电源不但可作为非线性负载，而且还可引出一条包含谐波的失真波形。这些谐波可能会对其它电子系统的工作造成干扰。因此，测量这些谐波的总体影响非常重要。总谐波失真可为我们提供信号 w.r.t. 基波分量中谐波含量的相关信息。更高的 THD 就意味着出现在输入电源端的失真越大或电源质量越低。

因此，我不得不使用 15 W 射灯（绝缘）设计来测试一个设计方法，该设计方案采用针对 7 个串联 LED 配置的TPS92314器件，可通过 150 ~ 265V AC 输入提供 3.1V 正向电压和 0.7A 额定电流。按照下列指示，我在 240V 的 AC 输入电压下实现了 8.7% 的 THD。

在进行实际实施之前，请查阅本应用手册，了解完成该测试所需的两个重要方程式。

在本例中，k 等于 1.68，我们可通过上述方程绘制出当 k = 1.68 时 THD 与“m”的关系曲线图。

从下图中我们可以看到，当 k 增大时（在 m

因此，重新看一下“m”和“k”的定义，我们就会发现，增大匝数比（n = Np/Ns）及转换器延迟时间，可降低 THD。除这两个参数外，EMI 滤波器设计也可对 THD 的改善起到非常重要的作用。用来降低总谐波失真的三个设计注意事项包括：

1. 增加变压器匝数比(n = Np/Ns)可增大反射电压。这会提高成本和开关 FET 的电压应力。在本特例中，我们将匝数比调成近似于 10，以保持反射电压约为 174V。FET 额定值必须高于过冲电压、（LED 最大电压+ 输出二极管压降）× 匝数比加上峰值 AC 输入电压的总和。计算结果将近 640V [= 50 V + (20 + 0.5) * 10 + 1.414 * 265]。我使用的是 700V 额定 FET 以及约为 16pF 的低漏源极电容。
2. 增加转换器延迟时间可降低THD。我将电阻器从计算的 5.6k 变为 6.2k。延迟时间取决于变压器的初级线圈电感以及 FET 的漏源极电容。所得延迟时间约为 280ns。
3. 在输入端添加EMI滤波器。在本例中，将带有 275V AC、68nF 电容器的 80mH 共模线圈添加至输入端，并在该桥接之后添加一个包含 1mH 鼓电感器和两个 400V、33nF 电容器的 π 滤波器。这可帮助我们实现 2.15 kHz 的差分滤波器转角频率。在线路阻抗稳定网络和频谱分析仪的帮助下，我在查看传导 EMI 曲线后，在多次迭代中计算这些值。在最初没有任何线路滤波器的情况下，峰值在 100 kHz（转换器开关频率）下约为 85dBuV。该频谱已经超出了 CISPR 15 B 类标准的限值，直到频率为 1MHz 时才降至限值以内。因此不得不采用 EMI 滤波器。我逐步增加共模线圈值，并观察其对 THD 性能的影响（将电容器增大到一定程度后会降低 PF 性能）。最后，该值达到了 80mH 和 68nF 左右，而截止频率则为 2.15 kHz，衰减超过 30dB，使 100 kHz 下的峰值降至 55.78dBuV。这样，频谱不仅下降了，而且它还使灯光达到了 CISPR 15 标准（符合准峰值和平均限值两种要求）。进行这一改变后，THD 改善至大约 9 ~ 10%。与共模线圈相关的漏电感帮我实现了差分滤波器。

通过进行上述改变，我才得以在 240V 的输入电压下实现 8.5% 的 THD 以及 0.98 的 PF，输出电压为 21.8V。在相同设计中的输出端（18.8V 输出）使用六个 LED，我们在 240V 电压下实现了 9% 的 THD。通过 EE1685 磁芯（匝数 180）实现了 80mH 的 EMI 滤波器。主变压器的初级电感为 2mH，峰值主电流约为 0.5A。

本次测试使用的 LED 驱动器是TPS92314，这款一次侧控制离线 LED 驱动器主要用于低成本照明应用（少量外部元件）。它具有恒定导通时间架构，无需复杂的补偿技术就可实现自然功率因数校正。此外，谐振谷值开关也可减少 EMI，提高系统效率。其它优异的特性还包括逐周期一次侧电流限制、VCC 过压保护及欠压锁定、输出 LED 过压保护以及控制器关闭等。

基于TITPS92314的完整原理图如下。

参考资料：

1. TPS92314 THD 设计注意事项（SNVA685、PDF、293 KB）
2. TPS92314 产品说明书