本論文之研究主題為設計一個擁有定電流輸出且具功率因數修正(PFC)功能之LED驅動電路，利用切換式電源轉換器作為功率級，本論文使用無需變壓器隔離之降壓型(Buck)電力轉換器，將電感電流操作在連續導通模式下(CCM)，並根據Ｂuck轉換器操作原理推導其等效數學模型與系統方塊圖，依此建立傳統乘法器功率因數修正控制法之閉迴路架構，並根據頻域與時域分析設計控制器參數，以達到定電流與功率因數修正之目的。此外，為了節省傳統控制法之電路成本，且克服Buck轉換器先天上之瓶頸，本論文提出一個不需乘法器，且性能更為優異之功率因數修正架構，分別將兩種架構利用電路模擬軟體分析與探討，並利用類比元件建立實際硬體電路進行量測，藉由模擬與實作結果可驗證，本論文提出之控制策略確實優於傳統控制法，除了提供穩定的輸出電流給予LED之外，系統之功率因數於滿載時更可提升至0.96以上，証明電路確實有高功因且定電流輸出之功能。

This thesis is to design an LED driver circuit with constant output current and Power Factor Correction(PFC) control. Switching power converter is applied for power stage of the LED driver circuit, a non-insulated Buck converter without transformer is used, and the inductor current of Buck converter is operating in Continuous Conduction Mode(CCM). According to the operating principle of Buck converter, the equivalent mathematical model and system block diagram is developed to establish the traditional closed loop PFC control circuit. The controller parameters are set up by time-domain and frequency-domain analysis to achieve the goal with constant output current and PFC control. Furthermore, the thesis presents a more effective PFC control method to reduce the cost of multiplier used in traditional PFC control method and overcome the congenital defect of Buck converter. Both two PFC control methods are confirmed and compared by simulation and experiment. The results show that the proposed control method has more effective performance and achieve constant output current for LED with high power factor by 0.966 under full-load condition.

中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 論文架構 3
第二章 LED驅動方法與功率因數修正技術簡介 5
2.1 LED發光原理與驅動技術 5
2.2 功率因數定義 8
2.3 功率因數修正技術 10
2.3-1主動式功因修正技術 11
2.3-2典型主動式功因修正架構 12

2.4連續導通模式之電流控制分類 13
2.5電力轉換器分類 16
第三章 Buck轉換器之基本原理與設計分析 19
3.1 Buck轉換器工作原理與穩態分析 19
3.1-1連續導通模式穩態分析 20
3.1-2 Buck轉換器CCM/DCM之邊界條件 23
3.2 Buck轉換器之規格設計 25
3.3 Buck轉換器之狀態空間平均模型與線性化 25
第四章 平均電流乘法器LED功率因數修正驅動電路設計 31
4.1 乘法器法功因修正電路之設計與分析 32
4.1-1乘法器電流與電壓迴路分析 33

4.2 乘法器法功因修正電路之硬體電路模擬與分析 38
4.2-1乘法器功因修正法之電路模擬圖與模擬結果 39
第五章 電流積分控制法之LED功因修正驅動電路設計 44
5.1電流積分控制法之研究動機 45
5.2 準穩態分析與電流積分控制法之原理推導 47
5.2-1電流積分控制法之原理推導 47
5.3電流積分控制法之積分重置電路與電壓外迴路分析 49
5.3-1 積分重置電路 50
5.3-2 電壓外迴路之輸出回授載波訊號設計 50
5.4電流積分控制法之硬體電路模擬分析 52

5.4-1 電流積分控制法之電路模擬圖與模擬結果 53
第六章 不同負載之系統強韌性模擬分析與比較 58
6.1 輸出功率11W之中重載強韌性模擬分析 59
6.1-1 乘法器控制法之電路模擬圖與模擬結果 59
6.1-2 電流積分法控制法之電路模擬圖與模擬結果 63
6.2 輸出功率6.74W之輕半載強韌性模擬分析 66
6.2-1 乘法器控制法之電路模擬圖與模擬結果 66
6.2-2 電流積分控制法之電路模擬圖與模擬結果 70
6.3 模擬波形之分析與比較 74
6.4 模擬波形之總結與討論 77
第七章 硬體電路建立與實驗數據量測分析 79
7.1 Buck轉換器硬體電路與LED驅動模組建立 79
7.1-1 Buck轉換器之硬體電路建立 79
7.1-2 LED實驗模組硬體電路建立 81
7.2 乘法器功率因數修正LED驅動電路之建立與實作 82
7.2-1 硬體電路規格與建立 82
7.2-2 硬體電路實驗結果 84
7.3電流積分控制法LED功因修正驅動電路之建立與實作 91
7.3-1 硬體電路規格與建立 91
7.3-2 硬體電路實驗結果 92
7.4 不同輸出負載之強韌性測試與分析 99
7.4-1 輸出功率11W之中重載強韌性量測與分析 100
7.4-2 輸出功率6.125W之輕半載強韌性量測與分析 114
7.5實作波形之分析與比較 128
第八章 結論與未來展望 133
8.1 結論 133
8.2 未來展望 134
參考文獻 136

[1] Chen Bing, Xie Yun-Xiang, Huang Feng and Chen Jiang-Hui, A Novel Single-phase Buck PFC Converter Based on One-cycle Control,” IEEE IPEMC, pp.1-5, Aug. 2006.
[2] “Focus on LED lighting – Japanese pioneer breaks through LED barrier,” Global Watch Magazine February 2006.
[3] Heinz van der Broeck, Georg Sauerländer, and Matthias Wendt, “Power driver topologies and control schemes for LEDs, ” IEEE, pp. 1319 -1325, 2007.
[4] Keyue M. Smedley, Member, and Slobodan C’uk, “One-Cycle Control of Switching Converters, ” IEEE Transactions on Power Electron, vol. 10, NO. 6, NOVEMBER 1995.
[5] L. Rossetto, G. Spiazzi and P.Tenti, “Control Techniques for Power Factor Correction Converters,” PEMC, pp. 1310 -1318, 1994.
[6] Manjing Xie, “Digital Control For Power Factor Correction,” Virginia Polytechnic Institute and State University, Master, 2003.
[7] M. R. Sahid, N. A. Azli, and N. D. Nuhammad, “A comparative study on the performances of the boost PFC circuit,” PEC Proc, pp.143-147, 2004.
[8] R.D. Middlebrook and S. Cuk, “A General Unified Approach to Modeling Switching Power Converter Stages,” IEEE PESC Record, pp.18-34, 1976.
[9] R. W. Erickson, S. Cuk, and R. D. Middlebrook, “Large-Sinail Modelling and Analysis of Switching Regulators,” IEEE PESC Record, pp.240-250, 1982,.
[10] Zheren Lai, “A Family of Continuous-Conduction-Mode Power-Factor- Correction Controllers Based on the General Pulse-Width Modulator,” IEEE, Transactions on Power Electron, vol. 13, NO. 3, May 1998.
[11] Zheren Lai, Keyue M. Smedley,”Time Quantity One-Cycle Control for Power-Factor Correctors,” IEEE , Transactions on Power Electron, vol. 12, NO.2, March 1997.
[12] Michael Day, Texas Instruments, “LED驅動器的選擇和設計,” 電子工程專輯2004年7月號.
[13] Yong Li ,Toshio Takahashi,"Motion Control Engine Achieves High Efficiency with Digital PFC Intergration in Air Condictioner,”Energy Saving Products Division International Rectifier
[14] “HCPL3120 Datasheet,” HP.
[15] “AD633JN Datasheet,”TI.
[16] “TL494CN Datasheet,”TI.
[17] 梁適安, “交換式電源供應器之理論與實務設計,” 全華科技圖書, 民國93年.
[18] 周楷勳, “高功率切換式LED背光源電源電路設計與分析,” 國立清華大學碩士論文, 民國95年.
[19] 張家榮, “不需輸入電壓感測之主動型功因修正AC/DC轉換器的研製,” 國立中山大學碩士論文, 民國95年.
[20] 顧振維, “強韌型SEPIC功率因數修正電路的設計,” 國立中山大學碩士論文, 民國96年.
[21] 吳至弘, “具功率因數修正之降壓型LED驅動電路設計,” 國立中山大學碩士論文, 民國97年.
[22] 李依潔, “單級高功因返馳式LED驅動器研製,” 國立中山大學碩士論文,民國97年.