如何選擇LED驅(qū)動器最佳架構(gòu)

　　現(xiàn)今的LED照明已具備了多元化的應用場合，從簡單的白熾燈或冷陰極熒光燈(CCFL)替代品，到新的建筑、工業(yè)、醫(yī)療和其他應用。為了在應用中最佳化匹配燈和光亮，不同的LED照明應用通常都有相對應的性能標準要求。

　　為了驅(qū)動LED,工程師可以從琳瑯滿目的驅(qū)動器架構(gòu)中挑選，然而每一架構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點，針對具體應用的適應能力有好有壞。選擇驅(qū)動器架構(gòu)時需考慮的因素有很多，其中成本占據(jù)首要位置，其次是隔離、調(diào)光、閃爍、色溫、功率因數(shù)、可靠性、熱管理等問題。

　　基本的LED驅(qū)動器架構(gòu)有幾種：次級側(cè)控制、初級側(cè)控制、隔離式/非隔離式。此外，功率因數(shù)控制(PFC)也是在許多應用中的一個主要性能考慮因素，其解決方案由帶PFC功能的兩級或單級驅(qū)動器，或不帶PFC功能的單級驅(qū)動器(主要用于功率低于5W的應用)組成。因此，整個驅(qū)動器子系統(tǒng)就是一系列權(quán)衡下的結(jié)果，目的是降低物料清單(BOM)成本，實現(xiàn)最高效率，同時提供調(diào)光功能，打造一款溫度可控、具備故障保護功能的產(chǎn)品。

　　基本的驅(qū)動器架構(gòu)

　　為了實現(xiàn)最佳的隔離和控制，次級側(cè)控制架構(gòu)監(jiān)測輸出電壓/電流，并通過一個光隔離通路向初級側(cè)驅(qū)動器提供反饋信號(圖1)。該反饋信號使次級側(cè)控制器能夠提供較好的電流及電壓控制精度。更簡單的初級側(cè)控制方案消除了次級側(cè)控制器和光隔離信號通路，從而降低了系統(tǒng)成本，在提高系統(tǒng)性能的同時，縮減了系統(tǒng)尺寸。在這種方案中，初級側(cè)驅(qū)動器通過初級側(cè)波形分析確定輸出電流和電壓(圖1)。取決于分析的質(zhì)量，初級側(cè)控制可以做到匹敵甚至超越次級側(cè)調(diào)節(jié)及性能，因此是當今隔離式LED驅(qū)動器常用的解決方案。

　　圖1:兩種常見的LED驅(qū)動器方案采用了次級側(cè)控制(上圖)和初級側(cè)控制(下圖)。次級側(cè)控制具備較好的電流及電壓控制精度，但初級側(cè)控制可減少元器件數(shù)量和系統(tǒng)尺寸，同時提高性能。

　　基本的初級側(cè)控制電路通過輸出級變壓器實現(xiàn)了隔離。但是，為了減少元器件成本，非隔離方案采用電感器替代變壓器，并能采用降壓控制器替代初級側(cè)驅(qū)動器反激電路(圖2)。在非隔離方案中，控制機制得到了簡化，但為了防止輸入與輸出間短路，該電路要求更加復雜的物理隔離。目前，大多數(shù)LED驅(qū)動器設(shè)計采用的是隔離式架構(gòu)。在未來一兩年內(nèi)，電路設(shè)計領(lǐng)域的進步將可提供更進一步降低成本的方案。

　　圖2:初級側(cè)驅(qū)動器可通過在輸出級使用變壓器，設(shè)計成隔離式配置;或通過使用電感器替代輸出變壓器，并選用降壓控制器替代反激電路，設(shè)計成非隔離配置。

　　功率因數(shù)基礎(chǔ)知識

　　當輸入電壓和電流同相，輸入電壓和電流波形一致時，功率因數(shù)為理想的“1”。當輸入電壓和輸入電流波形之間的相位差增大時，功率因數(shù)將下降，系統(tǒng)效率也將降低。但是，升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置了電流波形控制功能，它能跟蹤輸入電壓波形，從而維持近乎為1的功率因數(shù)。

　　為了提高功率因數(shù)，可以在初級側(cè)驅(qū)動器電路和控制電路之前增加一個兩級功率因數(shù)校正(PFC)升壓電路(圖3)。PFC電路還消除了因2倍線路頻率而導致的閃爍問題。在示例中，輸出級采用了反激轉(zhuǎn)換器，為iW3616的驅(qū)動器電路提供隔離。該驅(qū)動器芯片采用的初級側(cè)檢測技術(shù)，在不使用次級側(cè)反饋電路的情況下，實現(xiàn)了卓越的線路電壓和LED負載電流調(diào)節(jié)，同時消除了光隔離器反饋環(huán)路。此外，iW3616的實時周期波形分析技術(shù)還提高了調(diào)光器的設(shè)置響應速度。數(shù)字控制環(huán)路在無需環(huán)路補償器件的情況下，也能保持整體工作條件的穩(wěn)定。

　　圖3:通過在iW3616數(shù)字功率控制器中增加兩級功率因數(shù)校正升壓電路，可以讓驅(qū)動器電路實現(xiàn)無閃爍調(diào)光和極高的功率因數(shù)(>0.95)。

　　PFC也可以在單級初級側(cè)驅(qū)動和控制電路中實現(xiàn)。在此類系統(tǒng)中，驅(qū)動器通過調(diào)制輸入阻抗控制輸入電流波形，從而調(diào)節(jié)功率因數(shù)。

　　兩級PFC架構(gòu)在有效消除輸出紋波的同時，實現(xiàn)了近乎完美的PFC,因此可大幅改善LED燈中的閃爍問題。但是，兩級升壓電路需要更多元器件，因此實現(xiàn)成本也較高。與此相比，雖然具備PFC功能的單級驅(qū)動器通過調(diào)制輸入阻抗提高了功率因數(shù)，但隨著功率因數(shù)的升高，輸出紋波(閃爍)也將增多。為了補償，必須通過提高外部電容值來減少閃爍。在不需要PFC調(diào)節(jié)的情況下，簡單的單級初級側(cè)驅(qū)動器可采用傳統(tǒng)的反激轉(zhuǎn)換器架構(gòu)來降低成本。

　　很多應用還要求驅(qū)動器電路能夠?qū)诱{(diào)光器，但由于市場上已經(jīng)存在多種調(diào)光技術(shù)-TRIAC型前沿和后沿調(diào)光器、復雜的電子調(diào)光器，以及低壓(0V~10V)線性控制或脈寬調(diào)制亮度控制調(diào)光器(主要用于商用系統(tǒng)中)-工程師必須解決很多問題。新型數(shù)字化解決方案能夠分析出調(diào)光器的類型，然后運用經(jīng)過優(yōu)化的算法控制調(diào)光。此類解決方案還能消除因短脈沖信號干擾而導致的閃爍。與此相比，傳統(tǒng)的TRIAC型調(diào)光器易受誤觸發(fā)的影響，并有可能產(chǎn)生不平衡的半周期輸出。

　　所有TRIAC型調(diào)光器都有最小保持電流要求，以保持TRIAC導通，但并非所有的LED驅(qū)動器電路都具備調(diào)光能力。對于那些有調(diào)光能力的LED驅(qū)動器電路，驅(qū)動器必須載入調(diào)光器，以保持TRIAC持續(xù)導通。雖然較高的負載可提高調(diào)光器的兼容性，但其高負載電流將降低電路效率。為了重新提高效率，可以用一個BJT或MOSFET替代驅(qū)動器的負載電阻，讓驅(qū)動器自動校準泄放電流，以確保安全工作區(qū)的精準電流控制，并利用升壓/PFC電路現(xiàn)有的BJT或MOSFET降低成本。

　　方案選擇

　　由于面臨眾多選擇，工程師通常需要仔細比較，整理出LED驅(qū)動解決方案應該具備的最佳功能組合?；镜臎Q定因素可能首先是調(diào)光或非調(diào)光和功耗要求。之后，其他需求可能包括：有PFC或無PFC(取決于應用)、尺寸要求(解決方案是否適合具體的空間或印刷電路板區(qū)域)、可靠性/工作壽命、可容忍的閃爍量(越低越好)。

　　為了降低BOM成本，應考慮減少元器件數(shù)量，采用初級側(cè)控制，盡量降低EMI元器件數(shù)量，然后深入地檢查元器件成本-采用BJT而不是MOSFET用于驅(qū)動器，縮減散熱器的尺寸和材料。在某種程度上，這些選擇也與系統(tǒng)可靠性和工作壽命有關(guān)-元器件運行溫度越低，系統(tǒng)工作壽命就越長，尤其是對于電解電容器和LED等元器件自身而言。不幸的是，工程師很少知道LED燈的具體使用情況，因此，良好的溫控設(shè)計就顯得尤其重要。如果散熱器的尺寸設(shè)計不合理，通風不好的封閉式設(shè)備有可能導致熱量累積和過早失效。

　　此外，電路保護功能有助于防范熱失控、短路等重大熔斷故障-驅(qū)動器是否內(nèi)置溫度檢測功能，或能否添加一個溫度傳感器?借助溫度傳感器，驅(qū)動器電路能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的熱閉環(huán)-當溫度高于最高指標時，通過降低LED電流，從而降低功耗和溫度。在極端情況下，驅(qū)動器還能關(guān)閉，達到保護自身的目的。很多驅(qū)動器電路還提供了附加的故障保護功能，例如LED短路和開路檢測、過壓保護、軟啟動，以及電流檢測電阻短路保護。

　　所有選擇都可以歸納為幾條與功率因數(shù)和閃爍問題有關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗法則：如果功率因數(shù)和閃爍不重要的話，則使用一個不具備PFC功能的單級初級側(cè)驅(qū)動器;如果功率因數(shù)重要的話，則使用一個具備PFC功能的單級驅(qū)動器;但如果功率因數(shù)和閃爍都很重要的話，最佳選擇是一個具備PFC功能的兩級驅(qū)動器。

　　工程師有很多基本架構(gòu)可以選擇，通過對比它們的優(yōu)缺點，就能為目標應用挑選出最佳的驅(qū)動器解決方案。