考慮PFC相位控制調(diào)光　多級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器脫穎而出

　　目前設(shè)計(jì)一般的基本發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)器照明應(yīng)用相對(duì)較簡(jiǎn)單，但是如果還需要其他功能如相位控制調(diào)光和功率因子校正(PFC)，設(shè)計(jì)就變得復(fù)雜。無(wú)功率因子校正功能的非調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器通常包含一個(gè)脫機(jī)式開(kāi)關(guān)電源，用于在恒定電流下調(diào)節(jié)輸出。

　　這與標(biāo)準(zhǔn)脫機(jī)式開(kāi)關(guān)電源如交流對(duì)直流(AC/DC)適配器內(nèi)常用的類(lèi)型，差別不大。這類(lèi)設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)交換式電源供應(yīng)器(SMPS)電路拓?fù)洌缃祲?、升壓和逆向變換器。

　　新標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)策LED調(diào)光技術(shù)突破

　　2009年12月3日，美國(guó)能源部(DOE)發(fā)布了最終版《整體式LED燈能源之星認(rèn)證》要求家用LED驅(qū)動(dòng)器的功率因子必須高于0.7。工業(yè)應(yīng)用要求預(yù)計(jì)高于0.9。目前，市面上的很多產(chǎn)品均無(wú)法滿(mǎn)足這些要求，因此將來(lái)勢(shì)必須要更先進(jìn)的設(shè)計(jì)。有兩種基本功率因子校正方法：低成本的無(wú)源功率因子校正(被動(dòng)式PFC)和有源功率因素校正(主動(dòng)式PFC)。前者較簡(jiǎn)單，后者較復(fù)雜，但這兩種方法均要求在轉(zhuǎn)換器的前端安裝其他電路。

　　在深入探討這些方法之前，應(yīng)該提到的是，為了達(dá)到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)，LED驅(qū)動(dòng)器還必須具有調(diào)光功能。

　　這通常意味著，可以利用基于相位控制工作原理(其最初設(shè)計(jì)應(yīng)用于純電阻式白熾燈)的現(xiàn)有壁式調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光。雖然其他調(diào)光方法如線性0~10伏特調(diào)光，或數(shù)字尋址照明接口(DALI)可能也符合要求，但其很可能僅限于高端工業(yè)類(lèi)LED驅(qū)動(dòng)器。相位控制調(diào)光器是目前為止使用最廣泛的調(diào)光器，很明顯這對(duì)于利用其為L(zhǎng)ED燈實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能具有重要優(yōu)勢(shì)。由于市面上存在著大量基于三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的低成本調(diào)光器，所以實(shí)際上LED驅(qū)動(dòng)器無(wú)法保證與各種類(lèi)型的調(diào)光器都兼容，特別是在很多調(diào)光器都采用最基本的設(shè)計(jì)且性能有限的情況下。為此，能源之星項(xiàng)目要求，LED驅(qū)動(dòng)器制造商須在其網(wǎng)站上明確說(shuō)明產(chǎn)品與哪些調(diào)光器兼容。

　　另一個(gè)值得一提的能源之星要求是，為排除閃爍的可能性，LED工作頻率必須高于150Hz。這意味著，為L(zhǎng)ED供電的輸出電流可能不包括兩倍于線路頻率(50或60Hz)的頻率下的大量漣波。

　　脫機(jī)應(yīng)用(如辦公室照明、公共建筑與街道照明等)越來(lái)越多采用LED照明，預(yù)計(jì)今后幾年這種狀態(tài)會(huì)持續(xù)下去。在這些應(yīng)用中，大功率LED取代了線性或大功率熒光燈(CFL)、金屬鹵化物(HID)和高壓鈉燈和白熾燈。這些應(yīng)用需要LED驅(qū)動(dòng)器，其功率通常介于25～150瓦(W)之間。很多情況下，LED負(fù)載由多組包裝成數(shù)組芯片形式的高亮度白光LED組成。驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載所需的直流電流通常不低于1安培。也有交流電流驅(qū)動(dòng)LED系統(tǒng)，但是我們通常認(rèn)為直流系統(tǒng)能夠?yàn)長(zhǎng)ED提供更好的驅(qū)動(dòng)條件。

　　多級(jí)轉(zhuǎn)換器打造LED多元調(diào)光方案

　　在LED照明器具中，須要進(jìn)行電鍍絕緣處理以便防止在可以使用LED(多數(shù)情況下都會(huì)如此，除非使用了機(jī)械絕緣系統(tǒng))的地方發(fā)生電擊事件。這是因?yàn)榕c不須要進(jìn)行絕緣處理就很安全的熒光燈支架不同，LED芯片須要連接到金屬散熱器上。為了實(shí)現(xiàn)較高的熱導(dǎo)率，必須在LED鍛模和散熱器之間安裝隔熱層，從而排除了在中間添加厚度以滿(mǎn)足絕緣要求的絕緣材料的可能性。因此，最佳選擇是在LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)絕緣，這樣就需要合適的功率變換器架構(gòu)。

　　有兩種可能，即返馳式轉(zhuǎn)換器(圖1)和多級(jí)轉(zhuǎn)換器(圖2)，后者包括PFC級(jí)、絕緣和步降級(jí)與后端電流調(diào)節(jié)級(jí)。兩者中，返馳式轉(zhuǎn)換器更常用，因?yàn)槠湎鄬?duì)簡(jiǎn)單，并且成本較低。返馳式轉(zhuǎn)換器為眾多應(yīng)用提供了良好的解決方案，然而其具有下列局限性：功率因子校正能力有限。在寬輸入電壓范圍內(nèi)，效率有限。在兩倍交流電頻率(150Hz)的頻率下的輸出紋波可能無(wú)法輕松消除。需要其他電路方可實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

圖1 返馳式變換器簡(jiǎn)圖

圖2 多級(jí)轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)圖

　　多級(jí)的設(shè)計(jì)能夠克服其中的一些問(wèn)題，盡管礙于附加成本限制其在更高階的產(chǎn)品中的應(yīng)用。例如多級(jí)的設(shè)計(jì)可以在較寬的交流輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高功率因子和低總諧波失真(THD)，從而讓同一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器能夠在110伏特、120伏特、220伏特、240伏特或277伏特等電源下運(yùn)行。

　　多級(jí)的設(shè)計(jì)亦可以在該范圍(而非峰值)內(nèi)保持高效率，并不會(huì)在特定負(fù)載點(diǎn)，且效率不會(huì)因條件不同而大幅降低。多級(jí)系統(tǒng)更讓設(shè)計(jì)容易降低150Hz下的輸出漣波，并且能夠更有效地幫助實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)光方法。

　　以下將詳細(xì)探討25～150瓦應(yīng)用的、寬輸入電壓范圍、絕緣、可調(diào)光、穩(wěn)壓直流輸出、多級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器方案設(shè)計(jì)。而本例中的多級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器可以劃分為三部分：前端的PFC部分、中間絕緣與步降部分以及后端的電流調(diào)節(jié)部分。

　　實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率　多級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)運(yùn)而生

　　前端部分包括一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，其被配置為功率因子校正前置調(diào)節(jié)器，可以在調(diào)節(jié)成隨線路或負(fù)載變化而輸出電壓固定不變的高壓直流準(zhǔn)位。由于調(diào)節(jié)控制回路反應(yīng)很慢，需要很多個(gè)交流頻率周期方可對(duì)線路負(fù)載變化做出反應(yīng)，所以其會(huì)吸收正弦線路輸入電流。該電路一般在臨界導(dǎo)通模式(亦即轉(zhuǎn)換模式)下運(yùn)行。

　　在該模式下，脈沖寬度調(diào)變(PWM)處于關(guān)斷狀態(tài)，因此操作頻率可變，以至于在新切換周期時(shí)儲(chǔ)存在升壓電感器內(nèi)的所有能量都被轉(zhuǎn)移到輸出端時(shí)。該諧振操作模式得到了廣泛使用，并且由于具有最低的開(kāi)關(guān)損耗而實(shí)現(xiàn)了高效率。最好在要求的功率范圍內(nèi)使用。中間級(jí)將高壓直流準(zhǔn)位電壓(475伏特左右，典型值)轉(zhuǎn)換為適于驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載的低壓輸出。為了安全起見(jiàn)，正常情況下利用低壓驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載，因此驅(qū)動(dòng)電流通常不低于1安培。

　　絕緣和步降級(jí)的推薦配置是諧振半橋，其由一對(duì)相互反相驅(qū)動(dòng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)開(kāi)關(guān)組成。這些開(kāi)關(guān)的中心點(diǎn)為高頻步降變壓器原線圈的一端供電，另一端則連接到直流網(wǎng)絡(luò)和零伏回路之間的電容分壓器網(wǎng)絡(luò)上。這樣，變壓器原線圈就會(huì)經(jīng)歷正、負(fù)極性振幅相等的矩形波電壓。

　　次級(jí)線圈有中心抽頭，這樣就可以利用一個(gè)雙二極管整流器將輸出再轉(zhuǎn)換為直流。在輸出電流足夠高的地方，整流二極管可以被用作同步整流系統(tǒng)的MOSFET所取代。

　　在工作電流為3安培的典型應(yīng)用中，測(cè)得同步MOSFET的表面溫度為30℃，低于采用同種封裝的蕭特基二極管。可以看出，隨著電流要求的提高，同步整流的散熱優(yōu)勢(shì)就變得很重要。最后，需要平滑電容器來(lái)產(chǎn)生低紋波絕緣直流電壓。電容約為幾十微法，因此可以使用陶瓷電容器。

　　為了讓半橋級(jí)能夠有效運(yùn)行，其應(yīng)該設(shè)計(jì)成在諧振模式下運(yùn)行，這樣MOSFET就會(huì)發(fā)生在零電壓(ZVS)時(shí)切換。只須保證滿(mǎn)足下列兩個(gè)條件就可以實(shí)現(xiàn)：一個(gè)MOSFET切換、與另一個(gè)對(duì)等的MOSFET組件接通之間有較短的延遲，和中點(diǎn)處的電壓在該延遲期間從一端轉(zhuǎn)換到了另一端上，進(jìn)而釋放存儲(chǔ)在電感器內(nèi)的能量透過(guò)MOSFET的二極管導(dǎo)通，這種情況就發(fā)生了。變壓器的原線圈必須具有足夠的漏電感方可儲(chǔ)存足夠能量以進(jìn)行整流。

　　而為避免變壓器設(shè)計(jì)復(fù)雜化，可透過(guò)使用不會(huì)為設(shè)計(jì)增加漏電感的標(biāo)準(zhǔn)高頻變壓器設(shè)計(jì)，以及單獨(dú)為原線圈并聯(lián)一個(gè)電感器以便簡(jiǎn)化整流。設(shè)計(jì)師還可以用這個(gè)電感器幫助基于三端交流硅控開(kāi)關(guān)的調(diào)光器實(shí)現(xiàn)調(diào)光操作，從而為額外成本和空間提供正當(dāng)理由。而為簡(jiǎn)化能量?jī)?chǔ)存，這種電感器可以采用有隙鐵心，也可以采用開(kāi)口鐵心。