LED驅(qū)動(dòng)器借助改良降壓拓?fù)潆娐诽嵘裏襞莨β室驍?shù)

各國(guó)對(duì)LED燈泡的功率因數(shù)要求日趨嚴(yán)格，讓LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與日俱增，因此半導(dǎo)體業(yè)者藉由改良降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)出可兼顧小體積、高能效與高功率因數(shù)要求的新一代LED驅(qū)動(dòng)方案，有助開發(fā)人員設(shè)計(jì)出功率因數(shù)達(dá)0.9以上的LED燈泡。

隨著白熾燈泡逐步被淘汰，節(jié)能螢光燈(CFL)和發(fā)光二極體(LED)將成為提供顯著節(jié)能效果的兩種照明選擇。盡管CFL技術(shù)成熟，然白光LED發(fā)展快速，每顆LED元件的輸出流明與光效已愈來愈高。LED燈泡的使用壽命是標(biāo)準(zhǔn)白熾燈泡二十五倍以上，且光效已超越CFL燈泡的性能水平。

大多數(shù)常見CFL燈泡中的電子安定器為電容型，典型功率因數(shù)(PF)為0.5~0.6。這表示雖然住戶僅為燈泡所標(biāo)示的功率付款，但電力公司實(shí)際上必須產(chǎn)生成比例的伏-安(Volt-amp)電量，故功率因數(shù)為0.5的13瓦CFL燈泡，代表的是26伏-安的負(fù)載，只略低于60瓦白熾燈泡伏-安數(shù)的 50%。

也因此，美國(guó)能源之星(Energy Star)規(guī)定功率大于5瓦的LED燈泡最低功率因數(shù)須為0.7，而諸如嵌燈及聚光燈等商用LED燈具的最低功率因數(shù)須達(dá)0.9。放眼全球，美國(guó)對(duì)LED燈泡的功率因數(shù)要求并非最為嚴(yán)格;最嚴(yán)格的當(dāng)屬韓國(guó)，該國(guó)要求所有輸入功率超過5瓦的燈光的最低功率因數(shù)須達(dá)0.9，此要求將為設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)人員帶來挑戰(zhàn)，他們必須綜合評(píng)估能效、可用空間及整體物料清單(BOM)成本，以提供優(yōu)化LED照明方案。

導(dǎo)入降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路　LED燈泡PF大躍進(jìn)

白熾燈泡只為某個(gè)特定線路的電壓而設(shè)計(jì);但設(shè)計(jì)師不須要考慮如何使一個(gè)通用設(shè)計(jì)的LED燈泡風(fēng)行全球。此外，LED燈泡內(nèi)的電源不須要與負(fù)載電氣隔離，因其整合在單個(gè)殼體(Housing)中;但仍須注意機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，必須以物理方法符合安全要求。考慮到這點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員就不再須要倚賴隔離返馳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，做為唯一的電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)選擇。

在特定邊界條件下，可以優(yōu)化降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提供良好的功率因數(shù)。要提供高功率因數(shù)，輸入電流要與線路一致，且隨著整流線路電壓增加而正比例地增長(zhǎng)。降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是輸入電壓Vin大于輸出電壓Vout后，才有電流流動(dòng)，因此LED串電壓與線路電壓相比必須較低。在大多數(shù)情況下，這不成問題，因?yàn)榕c線路電壓相比，串聯(lián)LED的數(shù)量相對(duì)較少，如八顆串聯(lián)LED的總電壓約為25伏特，不到整流120伏特AC輸入峰值電壓的15%。

高功率因數(shù)升壓轉(zhuǎn)換器的一種控制方法是固定導(dǎo)通時(shí)間控制，這種控制模式下，電感、電流到達(dá)零時(shí)，將重新開始一個(gè)開關(guān)周期。為了控制功率，設(shè)計(jì)人員須使用回饋來調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間，并可運(yùn)用相同的概念來實(shí)現(xiàn)降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。于固定導(dǎo)通時(shí)間情況下，流過電感/開關(guān)的電流與線路以正比例上升，從而提供接近完美的功率因數(shù)，其中的折衷是開關(guān)周期頂部的峰值電流可能極大。燈泡應(yīng)用中并不要求極佳的功率因數(shù);因此，如果開關(guān)周期中的某一部分峰值電流被限制，就可以降低開關(guān)及電感的損耗，提供更高的轉(zhuǎn)換能效并限制電感尺寸。這方法產(chǎn)生的典型線路電流波形并不能如圖1所示那樣極貼近正弦曲線。然而，這方法產(chǎn)生的波形輕易地提供大于0.9的功率因數(shù)，但折衷則是失真增加。

提升燈泡PF　LED控制器扮要角

為了應(yīng)用這種固定導(dǎo)通時(shí)間/峰值電流混合機(jī)制，半導(dǎo)體業(yè)者開發(fā)出NCL30002控制器(圖2)。

由該控制器電路圖可觀察到LED參照高壓軌;而電源開關(guān)則參照地面，此稱為反向降壓。其可簡(jiǎn)化架構(gòu)，主因系可直接感測(cè)峰值LED電流，并驅(qū)動(dòng)單結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)電晶體(FET)，毋須使用位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器。

在控制器啟動(dòng)開關(guān)后，驅(qū)動(dòng)器從電感上的輔助線圈偏置，因而增添一個(gè)功能，可以感測(cè)到電感、電流降至零時(shí)，提示新的開關(guān)周期應(yīng)當(dāng)展開。精密的485毫伏特 (mV)電壓(典型精度±2%)用于對(duì)流過開關(guān)的峰值電流進(jìn)行穩(wěn)流。當(dāng)Vin超過LED Vf后，固定導(dǎo)通時(shí)間控制用于調(diào)節(jié)LED上的功率，直至達(dá)到感測(cè)電阻Rsense可以檢測(cè)到的峰值電流極限。為使AC線路電壓于額定電壓變化下控制所提供的功率，故使用線路前饋補(bǔ)償來調(diào)制導(dǎo)通時(shí)間。

在此制作一個(gè)18瓦LED驅(qū)動(dòng)電路示例，它適合被結(jié)合在替代75瓦A型燈泡的LED燈泡中，以750毫安培電流驅(qū)動(dòng)一串共八顆LED，輸出紋波低于±30%。圖3是這設(shè)計(jì)示例的18毫米x60毫米電路板照片;圖4可見典型能效高于90%，功率因數(shù)高于0.94。

如上所述，采用優(yōu)化架構(gòu)可以解決兼顧小體積、高能效且符合一體式LED燈泡最嚴(yán)格功率因數(shù)要求的設(shè)計(jì)難題。設(shè)計(jì)人員透過改變金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體 (MOSFET)及減小電感尺寸，可以調(diào)校LED燈泡基本設(shè)計(jì)，用于更低功率的應(yīng)用。此點(diǎn)至關(guān)重要的原因在于，LED制造商增加每顆LED的流明輸出，使 LED光效持續(xù)提升，進(jìn)而要求能以更少的LED提供相同流明輸出，藉此降低功耗，并減少一體式燈泡的成本，增加市場(chǎng)接受度。