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：

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。

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。

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TI TPS92314 的完整原理图如下。

TPS92314

具有 PFC 的 TPS92314 脱机初级侧感应转换器

描述

The TPS92314/14A is an off-line controller specifically designed to drive high power LEDs for lighting applications. Features include adaptive constant on-time control and quasi-resonant switching. Resonant switching allows for a reduced EMI signature and increased system efficiency. Thus, the device introduces a low external parts count and high level of integration. The control algorithm of TPS92314/14A adjusts the on time with reference to the primary side inductor peak current and secondary side inductor discharge time dynamically, the response time of which is set by an external capacitor.

The over current protection is implemented by a cycle by cycle current limit of the primary inductor current. TPS92314A has a higher OCP threshold which is more suitable for universal line application and TPS92314 can optimize the system cost. Other supervisory features of the TPS92314/14A include VCC over voltage protection and under-voltage lockout, output LEDs over-voltage protection and controller thermal shutdown. The TPS92314/14A is available in 8-pin SOIC package.

特性

Regulates LED Current Without Secondary Side Sensing

Adaptive ON-time Control with Inherent PFC

Critical-Conduction-Mode (CRM) with Zero-Current Detection (ZCD) for Valley Switching

Programmable Switch Turn ON Delay

Programmable Constant ON-Time (COT)

Over Current Limit Options:

TPS92314: 1.15V

TPS92314A: 2.0V

Advanced Over Current and Over Voltage Protection

Internal Over-temperature Protection

8-Pin SOIC Package

总谐波失真介绍

谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关。一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。

分类

谐波失真指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，我们用新增加总谐波成份的均方根与原来信号有效值的百分比来表示。例如，一个放大器在输出10V的1000Hz时又加上1v的2000Hz，这时就有10%的二次谐波失真。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。但总谐波失真与频率有关，因此美国联邦贸易委员会于1974年规定，总谐波失真必须在20～20000Hz的全音频范围内测出，而且放大器的最大功率必须在负载为8欧扬声器、总谐波失真小于1%条件下测定。国际电工委员会规定的总谐波失真的最低要求为：前级放大器为0.5%，合并放大器小于等于0.7%，但实际上都可做到0.1%以下：FM立体声调谐器小于等于1.5%，实际上可做到0.5%以下;激光唱机更可做到0.01%以下。

由于测量失真度的现行方法是单一的正弦波，不能反映出放大器的全貌。实际的音乐信号是各种速率不同的复合波，其中包括速率转换、瞬态响应等动态指标。故高质量的放大器有时还注明互调失真、瞬态失真、瞬态互调失真等参数。

(l)互调失真(IMD)：将互调失真仪输出的125Hz与lkHz的简谐信号合成波，按4：1的幅值输入到被测量的放大器中，从额定负载上测出互调失真系数。

(2)瞬态失真(TIM)：将方波信号输入到放大器后，其输出波形包络的保持能力来表达。如放大器的转换速率不够，则方波信号即会产生变形，而产生瞬态失真。主要反映在快速的音乐突变信号中，如打击乐器、钢琴、木琴等，如瞬态失真大，则清脆的乐音将变得含混不清。

(3)瞬态互调失真：将3.15kHz的方波信号与15kHz的正弦波信号按峰值振幅比4：1混合，经放大器后，新增加全部互调失真的产物有效值与原来正弦振幅的百分比。如放大器采用深度大回环负反馈，瞬态互调失真一般较大，具体反映出声音呆滞、生硬、无临场感;反之，则声音圆滑、细腻、自然。

计算公式

关于THD的计算公式，不同标准的定义略有不同。

公式一

《GBT--17626.7-2008电磁兼容 试验和测量技术 供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则》中，对THD的定义如下：

符号G表示谐波分量的有效值，它将按要求在表示电流时被I代替，在表示电压时被U代替，H的值在与限制有关的每一个标准中给出。按照上述定义，THD不包含简谐波，并且，有一固定的谐波上限。

公式二

《GB/T12668.2-2002调速电气传动系统 一般要求 低压交流变频电气传动系统额定值的规定》对THD定义如下：

上式中，Q为总有效值，Q1为基波有效值，可代表电压或电流，按照上述定义，THD包含间谐波和直流分量。