通過初級端調節(jié)提高照明效率摘要

摘要

全球對實現(xiàn)低功耗和高效率技術的關注不斷持續(xù)，由于照明應用占了全球近20%的電力資源消耗量，所以照明技術的進步，會對能源狀況產生巨大的影響。LED固態(tài)照明(solid state lighting, SSL)是一種環(huán)保技術，具有出色的外形尺寸，使用壽命長，轉換效率高，而且功耗相比傳統(tǒng)的白熾燈低80%或90%。在LED SSL中，LED驅動器扮演著重要的角色，因為要靠它來提供保持穩(wěn)定亮度所需的精確電流。不過，傳統(tǒng)的LED驅動器方案采用次級反饋電路來驅動LED的電壓和電流，而次級反饋電路會導致成本和尺寸的增加。本文將介紹一種 “初級端調節(jié)”(Primary Side Regulation, PSR)專利技術。這種PSR控制器無需次級端反饋電路，即能夠精確調節(jié)變壓器初級端中LED驅動器的電壓和電流。它同時包含了頻率抖動功能來降低EMI，以及輕載待機模式來減小待機損耗。利用該方案，PSR充電器可以實現(xiàn)比振鈴扼流圈轉換器(Ringing Choke Converter，RCC)和傳統(tǒng)PWM等傳統(tǒng)設計更小的外形尺寸、更低的待機功耗和更高的效率。

LED照明概述

由于能源需求失衡、能源成本增加，加上全球對環(huán)境問題的關注，節(jié)能綠色技術變得越來越重要。照明應用的能量損耗可高達20%，因此利用創(chuàng)新性技術來降低能源浪費，對節(jié)能具有重大的影響。能效規(guī)范在全球各地區(qū)日益普及，例如，美國有能源之星(ENERGY STAR)，而且澳大利亞、歐盟和美國加州也都宣布將逐步淘汰傳統(tǒng)照明解決方案。

發(fā)光二極管(LED)實際上與整流二極管一樣，都具有單向導電性。不同于傳統(tǒng)照明技術，SSL LED是利用半導體來把電能轉換為光能。LED照明相對傳統(tǒng)技術的優(yōu)勢如下：

1. LED由DC電壓驅動，即使在低電壓低電流條件下也能保持高亮度。在相同的照明應用中，相比其它照明方案，LED可以實現(xiàn)80%的節(jié)能。高亮度LED的壽命可能長達60,000 ~ 100,000個小時;而白熾燈泡只有1000個小時。此外，LED的反應速度很快(100ns ~ 1ns)。

2. LED的單色性良好，常用顏色包括紅、綠、黃和橙色。其顏色可通過改變電流來改變，而且不同于傳統(tǒng)冷陰極螢光燈管(CCFL)，LED不含光譜中的紫外線和紅外線輻射，而有害汞金屬元素含量也較少，有利于環(huán)保。

3. LED尺寸小、抗振動、沖擊阻力大，另外還可以在燈泡中制備成各種形狀。

與LED、螺旋節(jié)能燈泡和T5熒光燈相比，白熾燈的照明效率只有12lm/W，壽命少于2000小時;螺旋節(jié)能燈泡的照明效率為60lm/W，壽命約8000小時;而T5燈泡的的照明效率則為96lm/W，壽命約10,000個小時。5mm白色LED的照明效率為20 ~ 28lm/W，壽命約100,000小時。顯然，較之傳統(tǒng)照明應用產品，LED的使用壽命更長，且特性也更具吸引力。高亮度發(fā)光二極管(High-Brightness Light Emitting Diode, HBLED)是一種大功率高亮度的LED，它的壽命更長、尺寸更小，而且設計靈活，已成為傳統(tǒng)白熾燈和鹵素燈的替代產品。HBLED一般用于以下應用：

1. 屏幕顯示和交通燈：各種廣告牌、體育記分板和交通信號。

2. 車用照明燈：儀表板指示器、音頻和外部LED剎車燈、尾燈、邊燈等。

3. 背光：手機、數(shù)碼相機和筆記本電腦背光。

4. 景觀照明、建筑照明、裝飾燈、街燈和住宅照明。

HB LED作為一種新型的LED照明源綠色產品，必將是未來發(fā)展的新趨勢。

采用初級端調節(jié)控制器的高亮度LED驅動器

如上所述，LED照明擁有諸多優(yōu)勢，但若沒有適當?shù)碾妷汉途_的電流，這些器件的壽命不僅會縮短，其功耗和熱耗也會增加，最終對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一樣擁有斜率很大的V-I曲線，因而LED的工作電壓對工作電流相當敏感，若變化很大，便會影響HB LED單元的壽命。因此，LED的電流對照明非常重要?；谶@個原因，對HB LED的壽命而言，帶有出色的恒流技術的PSR就顯得既重要又有益。LED驅動器一般采用非隔離降壓轉換器或隔離反激式轉換器。

在傳統(tǒng)的LED控制電路中，離線恒定輸出電流LED驅動器可使用隔離反激式(flyback)轉換器配合次級端電路調節(jié)輸出電流來實現(xiàn)，如圖1所示。這里，LED電流通過次級端的一個sense電阻Ro來測量，并通過光耦合器提供必需的反饋信息。光耦合器在初級端和次級端之間形成隔離，并把反饋信號耦合到初級端的PWM控制器。為達到更好的輸出調節(jié)，PWM控制器通過光耦合器接收次級端的反饋信號，決定MOSFET的占空比。這種方案可提供精確的電流控制，但缺點是器件數(shù)目較多，意味著需要更大的板上空間、更高的成本，而且可靠性也較低。同時，sense電阻Ro還會增加功耗，降低恒流調節(jié)電源效率。近來，LED驅動器的效率和節(jié)能要求變得越來越重要，同時LED應用也需要更小的尺寸，因此傳統(tǒng)電路不再滿足相關要求。本文將介紹一種能夠減少器件數(shù)目并提高效率的初級端控制方法。

圖1.采用傳統(tǒng)次級端調節(jié)反激式轉換器的LED驅動器

初級端調節(jié)(PSR)技術是把離線LED驅動器的成本降至最低的最佳解決方案，它無需在次級端使用光耦合器，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，通過輔助線圈取代次級端的光耦合器來檢測輸出信息，如圖2所示。圖2所示為一個采用初級端控制器的反激式轉換器的基本電路示意圖及其主要工作波形。

圖2.采用初級端控制器的反激式轉換器的基本電路示意圖及其波形

當PSR控制器導通MOSFET時，變壓器電流iP將線性地從零增加到ipk，如算式(1)。 在導通期間，能量存儲在變壓器中。當MOSFET關斷時(toff)，存儲在變壓器中的能量通過輸出整流器傳送到功率轉換器的輸出端。在此期間，輸出電壓VO和二極管的正向電壓VF被反射到輔助線圈NAUX，輔助線圈NAUX上的電壓可由算式(2)表示。這時可運用一種專有的采樣技術來對反射電壓進行采樣，由于輸出整流器的正向電壓變得恒定，故可獲得相關輸出電壓信息。然后，采樣得到的電壓與精確的參考電壓進行比較，形成一個電壓回路，從而確定MOSFET的導通時間，并精確調節(jié)恒定輸出電壓。