挑戰(zhàn)對離線LED拓撲的選擇

在考慮使用LED驅(qū)動器將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為用于LED負載的恒定電流源的拓撲時，將LED應用分為三種功率水平是有幫助的：（1）低功率應用。要求輸入低于20W，例如燈條、R燈和白熾燈的替換品；（2）中等功率應用。輸入最高為50W，例如天花板筒燈和L燈；（3）高功率應用。要求輸入高于50W，例如標牌燈或街燈。設計人員在這三種功率范圍內(nèi)面對不同的挑戰(zhàn)組合，包括成本、安裝LED驅(qū)動器的空間、效率、設計復雜性、功率因數(shù)、平均失效時間(mean-time-to-failure, MTTF)以及可靠性，上述只是諸多挑戰(zhàn)中的一些。本文將推薦在這三種基本功率范圍內(nèi)使用的基本拓撲以應對設計挑戰(zhàn)。

低功率解決方案面向小尺寸照明燈應用，這些應用要求安裝LED驅(qū)動器的設計體積小，通過控制流過LED的電流來達到穩(wěn)定的光輻射，并具有高效率和低成本。為了符合“能源之星(Energy Star)”對于照明器具的規(guī)劃要求，對于住宅燈具的功率因數(shù)必須≥0.7，并且對于輸入功率大于5W的商業(yè)應用，功率因數(shù)必須≥ 0.9。

（1）如果不需要LED驅(qū)動器隔離，降壓調(diào)節(jié)器拓撲具有最低的BOM成本，因而是可以考慮的低成本解決方案。圖1為非隔離降壓拓撲示例，包括了功率因數(shù)校正和調(diào)光能力，僅有一個磁性元件（一個簡單電感）和一個單一MOSFET/二極管對，用于降壓功率轉(zhuǎn)換。如果輸入電壓高于LED負載所需的輸出電壓，此拓撲為最佳選擇。


圖1 帶有PFC的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器

在需要隔離LED驅(qū)動器時，一個好的拓撲選擇就是初級端調(diào)節(jié)(primary-side regulated，PSR)反激拓撲；圖2是一個PSR反激LED驅(qū)動器示例。無需次級端反饋，可以降低成本，因而此拓撲的元件數(shù)目較少，可以實現(xiàn)良好的恒定電流調(diào)節(jié)?？刂破髦锌梢约蒑OSFET以減少BOM數(shù)目及減少印刷線路板空間。因無需使用用于次級反饋的光隔離器PSR反激的可靠性得以提高。


圖2 初級端調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器

對于PSR反激拓撲，不連續(xù)導通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)是首選的工作模式，因為它可以更好地調(diào)節(jié)輸出。典型波形如圖3所示。


圖3 DCM反激轉(zhuǎn)換器波形

當PSR LED驅(qū)動器以恒定電壓調(diào)節(jié)模式工作時，在電感器電流放電時間Tdis期間，輸出電壓和二極管正向電壓降之和被反映至輔助線圈端。因為二極管正向電壓降隨著通過二極管的輸出電流減少而減少，在二極管放電時間Tdis的末端，輔助線圈電壓反映了輸出電壓。通過在二極管放電時間末端對輔助線圈電壓進行采樣，獲得輸出電壓的信息。

當以恒定電流調(diào)節(jié)模式工作時，使用峰值漏極電流IPEAK和電感電流放電時間Tdis可以估算輸出電流，因為在穩(wěn)定狀態(tài)下輸出電流與二極管電流的平均值相同。采用飛兆半導體創(chuàng)新的TRUECURRENT?技術(shù)，可以精確控制恒定電流輸出。

PSR拓撲的效率可以達到85%。作為一個例子，考慮8.4W的應用，LED驅(qū)動器的總功率損耗在85VAC輸入時測得為1.32W。損耗的支出，最大來自于變壓器，估計為0.55W，隨后是緩沖電路(如圖2所示，二極管與并聯(lián)的電阻和電容串聯(lián)，跨接在變壓器初級線圈上)，其損耗為0.31W，MOSFET的損耗為0.26W，以及輸出整流和橋式整流器一起的0.20W損耗。

（2）變壓器和緩沖電路通常是較主要的功率耗散組件，由于來自變壓器的漏電感，因而需要緩沖電路來防止電壓施壓在MOSFET上，假如未注意到這兩個設計方面，印刷線路板和輸入EMI濾波器也可以成為顯著的功率耗散來源。

總體1.32W損耗可能看起來并不是功率損耗的重要來源，但在一個低功率LED驅(qū)動器中，LED負載靠近驅(qū)動器，因而使設計發(fā)熱的是總體負載功率加上驅(qū)動器損耗。熱傳遞不會選擇強制冷卻氣流，因而上面引用的示例必須使用能夠從半導體和電氣器件中高效傳導8.4W功率的燈具，以便維持可靠性。假如散熱解決方案不能夠平衡這一功率并保持元件低溫，那么，使用電解電容器會減少設計的平均無故障工作時間(MTTF)。

中等功率解決方案仍然要求小體積設計和功率因數(shù)校正。在該功率范圍內(nèi)效率和可靠性仍然是重要的設計制約?？墒褂玫牧己猛負涫菃渭壒β室驍?shù)校正反激拓撲，如圖4所示。


圖4.單級PFC反激轉(zhuǎn)換器

單級設計減少了元件數(shù)目并且無需輸入大體積電容器，不僅節(jié)省了設計空間，而且也降低了成本。用于功率因數(shù)校正控制的反激，使用了次級反饋。采用這些中等功率反激拓撲設計，可實現(xiàn)高達84%的效率。因為拓撲采用反激方式，在該LED驅(qū)動器設計中，變壓器和緩沖電路仍然是主要的功耗損耗來源。在中等功率范圍中，較高的功率水平增加了緩沖電路的功率損耗，因為緩沖電路損耗與變壓器漏電感和MOSFET中峰值電流平方的乘積成比例。在該中等功率設計中，變壓器的尺寸正在增加，而且MOSFET中的峰值電流也在增加。

大功率解決方案關(guān)注最佳的效率和可靠性，合理的成本以及較少的BOM數(shù)目。推薦使用兩級式LED驅(qū)動器。第一級用于功率因數(shù)校正，隨后是DC-DC轉(zhuǎn)換級來調(diào)節(jié)恒定電流輸出。第一級可以采用與中等功率范圍單級PFC反激轉(zhuǎn)換器設計相同的控制器。為了在該兩級方法中減少元件數(shù)目，在第一級上，控制器集成了一些元件和特性。

這里推薦兩種次級DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇：準諧振反激，用于低于100W的應用，或者LLC拓撲，用于高于100W的應用。反激方案可以達到合理的效率，相對于LLC拓撲選擇，它是不太復雜的拓撲。通過降低導通開啟時的電容電壓，QR拓撲減少了與MOSFET輸出電容相關(guān)的開關(guān)損耗。QR拓撲MOSFET軟開關(guān)也減少了EMI。然而，對于LLC拓撲，較好的效率歸功于MOSFET的零電壓開關(guān)(zero voltage switching)，而且可以使用小型保持(holdup)電容器。在該兩級方法中可以實現(xiàn)高達92%的效率。圖5和圖6顯示了QR和LLC拓撲。請注意圖6中的LLC電路使用了變壓器的漏電感和磁化電感以建立LLC諧振電路。



圖5 兩級PFC + QR反激示例


圖6 兩級PFC + LLC示例

大功率應用通常使用多串LED。圖6顯示了使用次級控制器來平衡通過不同LED串負載的電流。

結(jié)論

本文針對三種不同功率范圍的離線LED驅(qū)動器應用，推薦了不同的拓撲。根據(jù)不斷增加的LED負載功率水平，提出了降壓轉(zhuǎn)換器、PFC單級反激，以及兩級PFC反激，并隨后提出了QR反激或LLC方案。每種推薦的拓撲方案都基于安裝LED驅(qū)動器的可用設計空間、效率要求、可靠性、成本和設計復雜性等考慮，能夠最好地滿足上述限制條件。