初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)提高照明效率 實(shí)現(xiàn)低成本高亮LED方案

　　為達(dá)到高亮度LED對(duì)于高可靠度、小體積、高發(fā)光效率、低耗電量及低成本的要求，業(yè)界現(xiàn)已開發(fā)出PSR控制器搭配高亮度LED驅(qū)動(dòng)器方案。PSR控制器突出的恒流技術(shù)，能精確提供適當(dāng)?shù)碾妷号c電流，提高LED使用壽命，此外，透過PSR高整合度方案，也可進(jìn)一步縮小LED驅(qū)動(dòng)器與PCB體積，因而開始在產(chǎn)業(yè)界嶄露鋒芒。

　　實(shí)現(xiàn)低功耗和高效率技術(shù)備受全球關(guān)注，由于照明應(yīng)用占了全球近20%的耗電量，所以照明技術(shù)的進(jìn)步，也會(huì)對(duì)能源狀況產(chǎn)生巨大的影響。發(fā)光二極管(LED)固態(tài)照明(SSL)是一種環(huán)保技術(shù)，具有出色的外形尺寸、使用壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率高，且功耗比傳統(tǒng)的白熾燈低80%或90%。

　　在LED SSL中，LED驅(qū)動(dòng)器扮演著重要的角色，因?yàn)橐克鼇硖峁┍３址€(wěn)定亮度所需的精確電流。不過，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)器方案采用次級(jí)回饋電路來驅(qū)動(dòng)LED的電壓和電流，但次級(jí)回饋電路卻會(huì)導(dǎo)致成本和尺寸的增加。

本文將介紹一種初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)專利技術(shù)，PSR控制器無需次級(jí)端回饋電路，即能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)側(cè)中LED驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流。它同時(shí)包含頻率抖動(dòng)功能來降低電磁干擾(EMI)，以及輕載待機(jī)模式來減小待機(jī)損耗。利用該方案，PSR充電器可以實(shí)現(xiàn)比振鈴扼流圈轉(zhuǎn)換器(RCC)和傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)變(PWM)等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更小的外形尺寸、更低的待機(jī)功耗和更高的效率。

　　LED照明擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但若沒有適當(dāng)?shù)碾妷汉途_的電流，這些組件的壽命不僅會(huì)縮短，其功耗和熱耗也會(huì)增加，最終對(duì)LED造成無法挽回的損害?？紤]到LED與普通二極管在物理特性方面同樣擁有斜率很大的V-I曲線，因而LED的工作電壓對(duì)工作電流相當(dāng)敏感，若變化很大，便會(huì)影響HB LED單元的壽命，因此LED的電流對(duì)照明非常重要。在這種情況下，對(duì)HB LED的壽命而言，帶有出色恒流技術(shù)的PSR就顯得既重要又有益。LED驅(qū)動(dòng)器一般采用非隔離降壓轉(zhuǎn)換器或隔離反激式(Flyback)轉(zhuǎn)換器。

　　在傳統(tǒng)的LED控制電路中，脫機(jī)恒定輸出電流LED驅(qū)動(dòng)器可使用隔離反激式轉(zhuǎn)換器配合次級(jí)側(cè)電路調(diào)節(jié)輸出電流來實(shí)現(xiàn)(圖1)。在此，LED電流通過次級(jí)側(cè)的一個(gè)感應(yīng)(Sense)電阻Ro來測(cè)量，并借助光耦合器提供必須的回饋信息。光耦合器在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間形成隔離，并把反饋訊號(hào)耦合到初級(jí)側(cè)的PWM控制器，為了達(dá)到更好的輸出調(diào)節(jié)，PWM控制器利用光耦合器接收次級(jí)側(cè)的反饋訊號(hào)，以決定金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)的工作周期。

　　此方案可提供精確的電流控制，但缺點(diǎn)是組件數(shù)目較多，意味著需要更大的電路板空間、更高的成本，且可靠性也較低。同時(shí)，感應(yīng)電阻Ro還會(huì)增加功耗和降低恒流調(diào)節(jié)電源效率。近來，LED驅(qū)動(dòng)器的效率和節(jié)能要求變得愈益重要，同時(shí)LED應(yīng)用也需要更小的尺寸，因此傳統(tǒng)電路不再滿足相關(guān)要求。本文將介紹一種能夠減少組件數(shù)目并提高效率的初級(jí)側(cè)控制方法。

　　傳統(tǒng)次級(jí)端調(diào)節(jié)反激式LED驅(qū)動(dòng)器

圖1：采用傳統(tǒng)次級(jí)端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的LED 驅(qū)動(dòng)器

　　PSR技術(shù)是把脫機(jī)LED驅(qū)動(dòng)器的成本降至最低的最佳解決方案，它毋須在次級(jí)側(cè)使用光耦合器，就能夠提供精確的電流控制。PSR的基本原理是采用一種創(chuàng)新性方法，利用參考線圈取代次級(jí)側(cè)的光耦合器來檢測(cè)輸出信息。圖2所示為一個(gè)采用初級(jí)側(cè)控制器的反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其主要工作波形。

　　傳統(tǒng)次級(jí)端調(diào)節(jié)反激式LED驅(qū)動(dòng)器

圖2：采用初級(jí)側(cè)控制器的反激式轉(zhuǎn)換器之基本電路示意圖及波形

　　當(dāng)PSR控制器導(dǎo)通MOSFET時(shí)，變壓器電流iP將線性地從零增加到ipk，如算式(1)。在導(dǎo)通期間，能量?jī)?chǔ)存至變壓器中。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)(toff)，儲(chǔ)存在變壓器中的能量會(huì)藉由輸出整流器傳送到功率轉(zhuǎn)換器的輸出端，在此期間，輸出電壓VO和二極管的正向電壓VF被反射到參考線圈NAUX，參考線圈NAUX上的電壓可由算式(2)表示。這時(shí)可運(yùn)用一種專有的取樣技術(shù)來對(duì)反射電壓進(jìn)行取樣，由于輸出整流器的正向電壓變得恒定，故可獲得相關(guān)輸出電壓信息，然后，取樣得到的電壓與精確的參考電壓進(jìn)行比較，形成一個(gè)電壓回路，從而確定MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，并精確調(diào)節(jié)恒定輸出電壓。

　　上述算式中，LP為變壓器初級(jí)線圈的電感；VIN為變壓器的輸入電壓；ton是MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間；NAUX/NS為參考線圈與次級(jí)輸出線圈的匝數(shù)比；VO是輸出電壓；VF是輸出整流器的正向電壓。 這種采樣方案也使得變壓器的放電時(shí)間(tdis)加倍，如圖2所示，輸出電流IO與變壓器的次級(jí)側(cè)電流有關(guān)。IO還可利用ipk、tdis求得，如算式(3)所示。PSR控制器利用這個(gè)結(jié)果來確定MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，并調(diào)節(jié)恒定輸出電流。感應(yīng)電阻RSENSE用來調(diào)節(jié)輸出電流的數(shù)值。

　　在此，tS是PSR控制器的開關(guān)周期；NP/NS是初級(jí)線圈和次級(jí)輸出線圈的匝數(shù)比；RSENSE為感測(cè)電阻，把變壓器的開關(guān)電流轉(zhuǎn)換為電壓VCS。

　　高整合PSR控制器方案實(shí)現(xiàn)小體積/低成本HB LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　這里使用一個(gè)HB LED驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)三個(gè)串聯(lián)HB LED，輸出規(guī)格為12伏特/0.35安培。若采用整合一個(gè)PSR控制器和一個(gè)600伏特/1安培MOSFET的PSR控制器FSEZ1016A，將有助于減少外部組件數(shù)目、縮小印刷電路板(PCB)MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路的訊號(hào)噪聲，還能夠減少干擾。而專有的綠色模式功能可在輕載和無載條件下，提供非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制，以線性降低PWM頻率，使待機(jī)功耗最小化，從而輕松滿足大多數(shù)綠色規(guī)范的要求。此外，其內(nèi)置抖頻功能也進(jìn)一步提高EMI性能。

　　實(shí)驗(yàn)顯示采用此方法，恒流(CC)調(diào)節(jié)精度可達(dá)1.8%，折回(Fold-back)電壓為4伏特(圖3)，適用很大的正電壓(VDD)范圍，且CC能力與輸出電壓有關(guān)。115Vac輸入時(shí)效率為77.66%、230Vac輸入時(shí)效率為77.40%及空載時(shí)最大功率為0.115瓦。由此可見，利用FSEZ1016A便可以獲得一個(gè)外部組件最少、成本最低的照明解決方案。

圖3：使用PSR控制器的V-I曲線

　　隨著產(chǎn)業(yè)界對(duì)高能效電子產(chǎn)品開發(fā)投入更多，照明應(yīng)用需要?jiǎng)?chuàng)新性技術(shù)來取代傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)?。HB LED的優(yōu)勢(shì)在于尺寸小、亮度高、壽命長(zhǎng)，而且環(huán)保。

　　這些優(yōu)勢(shì)都是推動(dòng)該產(chǎn)品逐漸取代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的有利因素。為了提高HB LED的能力，控制電路必須利用恒流來實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)。本文介紹的PSR專利技術(shù)，只須利用PSR控制器，就能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)側(cè)中LED驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流，無需次級(jí)側(cè)反饋電路，從而實(shí)現(xiàn)尺寸更小、壽命更長(zhǎng)和更環(huán)保的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)顯示PSR能夠提供1.8%的恒流調(diào)節(jié)精度。這種PSR技術(shù)是降低脫機(jī)LED驅(qū)動(dòng)器成本的最佳解決方案。