多級LED驅(qū)動設(shè)計 輕松實現(xiàn)高效調(diào)光

2009年12月3日，美國能源局(DOE)為一體化LED燈項目發(fā)布了“能源之星”規(guī)格的最終版，規(guī)定在美國應用的LED驅(qū)動器的功率因數(shù)必須優(yōu)于0.7，而工業(yè)應用則預計要優(yōu)于0.9。目前市場的許多產(chǎn)品尚不能滿足這樣的要求，因此未來需要用更先進的產(chǎn)品來進行替代。有兩種方式可以實現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)，每種都要求在電源轉(zhuǎn)換器的前端增加一些附加電路：簡單的低成本無源PFC，以及更復雜的有源PFC。

在更深入研究這些方法之前，需要強調(diào)的一點是為了獲得“能源之星”評級， LED驅(qū)動必須是可調(diào)光的。

一般而言，這就意味著其可調(diào)性會源于現(xiàn)有的基于切相工作原理的墻式電子調(diào)光器，這一原理最初是用來設(shè)計純阻抗白熾燈。盡管其它調(diào)光方法，如線性0-10V調(diào)光或DALI也可能合乎要求，但是它們可能都僅限于高端工業(yè)類LED驅(qū)動器。

到目前為止，切相調(diào)光器的應用相當廣泛，很顯然，能夠有效調(diào)光的LED燈將具有極大的優(yōu)勢。由于市場上還有許多基于三端雙向可控硅開關(guān)的低成本調(diào)光器，因此保證LED驅(qū)動器與所有類別相兼容是不現(xiàn)實的，特別是許多調(diào)光器僅采用基本設(shè)計，性能十分有限?；谶@樣的原因，“能源之星”項目僅要求LED驅(qū)動器廠商在一個網(wǎng)頁中詳細說明哪些調(diào)光器可以與其產(chǎn)品相兼容。

在“能源之星” 規(guī)格中，值得注意的另外一個要求是LED的工作頻率必須大于150Hz，以消除出現(xiàn)可見閃爍的可能性。這就意味著給LED供電的輸出電流中不能帶有任何大量的頻率是線性頻率(50Hz或60Hz)兩倍的紋波。

在如辦公室照明、公共建筑和街區(qū)照明等離線應用中，越來越多的應用中采用LED照明，并且在未來幾年里仍將保持這一趨勢。在這些應用中，大功率LED會取代線性或大功率CFL熒光燈、HID燈以及白熾燈。這些應用需要一個LED驅(qū)動器，其典型功率范圍為25W至150W。在許多情況中，LED負載都由一個的高亮度白光LED陣列組成，通常采用多種形式的芯片封裝。用于驅(qū)動這些負載的DC電流通常至少為1安培。實際也有AC電流驅(qū)動的LED系統(tǒng)，但是一般認為DC系統(tǒng)可以為LED提供更理想的驅(qū)動條件。

在LED照明設(shè)備中需要進行電流隔離，以防止在可以接觸到的地方發(fā)生觸電危險，這種危險在大多數(shù)情況下都可能發(fā)生，除非采用一個絕緣的機械系統(tǒng)。這是由于與日光燈照明設(shè)備等不需要通過絕緣來實現(xiàn)安全性的產(chǎn)品不同，LED芯片需要與金屬散熱器連接。為了實現(xiàn)良好的熱傳導性，需要在LED芯片和散熱器之間形成熱障，這樣就無需通過添加絕緣材料來滿足絕緣要求。因此，在LED驅(qū)動器內(nèi)部形成絕緣就是最佳選擇，同時也說明了電源轉(zhuǎn)換器拓樸技術(shù)是可行的。

盡管為通用照明應用而設(shè)計的基本LED驅(qū)動器相對簡單，但是當需要切相調(diào)光(phase cut dimming)和功率因數(shù)校正等附加功能時，這種設(shè)計就將會變得非常復雜。不帶功率因數(shù)校正功能的非調(diào)光LED驅(qū)動器一般包括一個離線開關(guān)電源，用其進行調(diào)節(jié)以實現(xiàn)恒流輸出。這與標準離線開關(guān)電源和在AC-DC適配器中通用的型號并無太大差異。這種設(shè)計可以采用標準的SMPS(開關(guān)電源)電路拓樸，如降壓、升壓或反激式轉(zhuǎn)換器等。

2009年12月3日，美國能源局(DOE)為一體化LED燈項目發(fā)布了“能源之星”規(guī)格的最終版，規(guī)定在美國應用的LED驅(qū)動器的功率因數(shù)必須優(yōu)于0.7，而工業(yè)應用則預計要優(yōu)于0.9。目前市場的許多產(chǎn)品尚不能滿足這樣的要求，因此未來需要用更先進的產(chǎn)品來進行替代。有兩種方式可以實現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)，每種都要求在電源轉(zhuǎn)換器的前端增加一些附加電路：簡單的低成本無源PFC，以及更復雜的有源PFC。

在更深入研究這些方法之前，需要強調(diào)的一點是為了獲得“能源之星”評級， LED驅(qū)動必須是可調(diào)光的。

一般而言，這就意味著其可調(diào)性會源于現(xiàn)有的基于切相工作原理的墻式電子調(diào)光器，這一原理最初是用來設(shè)計純阻抗白熾燈。盡管其它調(diào)光方法，如線性0-10V調(diào)光或DALI也可能合乎要求，但是它們可能都僅限于高端工業(yè)類LED驅(qū)動器。

到目前為止，切相調(diào)光器的應用相當廣泛，很顯然，能夠有效調(diào)光的LED燈將具有極大的優(yōu)勢。由于市場上還有許多基于三端雙向可控硅開關(guān)的低成本調(diào)光器，因此保證LED驅(qū)動器與所有類別相兼容是不現(xiàn)實的，特別是許多調(diào)光器僅采用基本設(shè)計，性能十分有限?；谶@樣的原因，“能源之星”項目僅要求LED驅(qū)動器廠商在一個網(wǎng)頁中詳細說明哪些調(diào)光器可以與其產(chǎn)品相兼容。

在“能源之星” 規(guī)格中，值得注意的另外一個要求是LED的工作頻率必須大于150Hz，以消除出現(xiàn)可見閃爍的可能性。這就意味著給LED供電的輸出電流中不能帶有任何大量的頻率是線性頻率(50Hz或60Hz)兩倍的紋波。

在如辦公室照明、公共建筑和街區(qū)照明等離線應用中，越來越多的應用中采用LED照明，并且在未來幾年里仍將保持這一趨勢。在這些應用中，大功率LED會取代線性或大功率CFL熒光燈、HID燈以及白熾燈。這些應用需要一個LED驅(qū)動器，其典型功率范圍為25W至150W。在許多情況中，LED負載都由一個的高亮度白光LED陣列組成，通常采用多種形式的芯片封裝。用于驅(qū)動這些負載的DC電流通常至少為1安培。實際也有AC電流驅(qū)動的LED系統(tǒng)，但是一般認為DC系統(tǒng)可以為LED提供更理想的驅(qū)動條件。

在LED照明設(shè)備中需要進行電流隔離，以防止在可以接觸到的地方發(fā)生觸電危險，這種危險在大多數(shù)情況下都可能發(fā)生，除非采用一個絕緣的機械系統(tǒng)。這是由于與日光燈照明設(shè)備等不需要通過絕緣來實現(xiàn)安全性的產(chǎn)品不同，LED芯片需要與金屬散熱器連接。為了實現(xiàn)良好的熱傳導性，需要在LED芯片和散熱器之間形成熱障，這樣就無需通過添加絕緣材料來滿足絕緣要求。因此，在LED驅(qū)動器內(nèi)部形成絕緣就是最佳選擇，同時也說明了電源轉(zhuǎn)換器拓樸技術(shù)是可行的。

兩種可能方案分別是反激式轉(zhuǎn)換器或包括一個PFC級的多級轉(zhuǎn)換器，然后是絕緣和降壓級，最后是后端電流調(diào)整級。兩種方案之中，反激式因其相對簡易且成本較低，應用比較廣泛。

反激式轉(zhuǎn)換器為許多應用提供了良好的解決方案(圖1)，然而，它卻具有如下的局限性：有限的功率因數(shù)校正能力；在寬輸入電壓范圍上效率有限；兩倍線頻(150Hz))時的輸出紋波很難消除；需要通過附加電路進行調(diào)光。

圖1：采用反激式轉(zhuǎn)換器的LED調(diào)光。

盡管多級設(shè)計(圖2)的額外成本限制了其在高端產(chǎn)品中的應用，但這種設(shè)計卻可以克服其中的一些問題。在較寬的AC輸出電壓范圍內(nèi)，其可以實現(xiàn)高功率因數(shù)和較低的總諧波失真(THD)，從而使相同的LED驅(qū)動器可以利用110V、120V、220V、240V或277V的主電源供電。

圖2：采用多級轉(zhuǎn)換器的LED調(diào)光。

能夠在很寬的范圍上保持高效率，而不是使效率在一個特定線負載點上達到峰值，但在不同的條件下卻又大幅下降。同時，它也更易于降低150Hz下的紋波輸出，多級系統(tǒng)使其自身能夠更加高效的采用不同的調(diào)光方式。

本文其余部分將深入探討寬電壓輸入范圍、絕緣、可調(diào)光、穩(wěn)壓DC輸出多級LED驅(qū)動設(shè)計原則，主要針對25W至150W范圍的應用。該實例中的多級LED驅(qū)動器將分為三個部分：前端，功率因數(shù)校正(PFC)部分；絕緣和步降部分；后端，電流調(diào)制部分。