高壓、高亮度LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)在各國(guó)都在不斷減少白熾燈泡的使用而且各大公司也都意識(shí)到轉(zhuǎn)向使用一些替代照明方法可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而這其中發(fā)光二極管 (LED) 和緊湊型熒光燈 (CFL) 便是主要的選擇，因此對(duì)于低成本、低環(huán)境影響照明解決方案的需求比以往任何時(shí)候都要強(qiáng)烈。雖然差異明顯，但上述兩種替代照明方法都較為可行。CFL 照明的主要缺點(diǎn)是較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間和較低的亮度調(diào)節(jié)性能，但相比 LED 解決方案其成本極低。另一方面，LED 具有“快速開啟”特性且亮度調(diào)節(jié)性能較好，但因成本問題普及較慢。半導(dǎo)體廠商們不斷制造新的 LED 驅(qū)動(dòng)器組件，旨在降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。同時(shí)，LED 廠商不斷提升高亮度 LED 的功效(發(fā)光效率)，目的是減少要求 LED 數(shù)目，以及降低調(diào)節(jié)它們所需的功耗。

這種創(chuàng)新之一是使用高壓、高亮度 (HVHB) LED。這些 LED 要求更高的電壓來啟動(dòng)電流，從而開始發(fā)光。這些新型 LED 面臨著許多新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來了許多新的機(jī)遇。盡管一開始只是為直接通過 AC 線自驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)，但諸如低效率、低功率因數(shù)和不可調(diào)節(jié)等因素限制了它們的應(yīng)用數(shù)量。

從圖1，我們可以看到直接通過 AC 線驅(qū)動(dòng)這些 LED 存在許多問題。為了滿足整個(gè)電壓范圍要求(90-135 Vac 或者 207-253 Vac)，正向壓降 (Vf) 必須為最低 AC 電壓或者更低。這就意味著電壓位于量程上限時(shí)，限流電阻器電壓下降。這樣便產(chǎn)生損耗，極大地降低了效率。它還會(huì)產(chǎn)生熱，從而限制 LED 的使用壽命。

現(xiàn)在，讓我們來看圖1 所示開啟時(shí)間。由于 LED 僅在達(dá)到或者超出 Vf 時(shí)導(dǎo)通，因此僅有峰值電壓用于發(fā)光。如此小的總 AC 時(shí)間百分比時(shí)，功率因數(shù)會(huì)非常的低(遠(yuǎn)低于美國(guó)、歐洲和印度要求的額定值，讓它們無法用于這些國(guó)家的住宅和商業(yè)照明應(yīng)用)。這就是說，如果要滿足這些 LED 的峰值功率需求的話，電力公司需要提供超出正常工作所要求的電量。最后，由于大多數(shù)調(diào)光器(TRIAC 或電子類產(chǎn)品)都是通過對(duì)提供給燈的 AC 波形進(jìn)行限幅處理來工作的，因此僅在燈導(dǎo)通的短暫時(shí)間內(nèi)進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。這就意味著，亮度調(diào)節(jié)范圍的 90% 以上時(shí)，燈可以為全部開啟，也可以為全部關(guān)閉。

圖1無驅(qū)動(dòng)器的HVHB LED 特性

綜上所述，相比其低壓版本，HVHB LED 擁有許多優(yōu)點(diǎn)。從驅(qū)動(dòng)器的角度來說，通過一個(gè)升壓功率因數(shù)校正 (PFC) 電源就可以將它們較好地直接驅(qū)動(dòng)(請(qǐng)參見圖 2)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過將電流消耗與 AC 電壓波形匹配來控制提供給負(fù)載的電量，從而確保了較好的功率因數(shù)(一般為 .97 或者更好)。使用這種 PFC，其很容易便超出了 .7 或 .9 的管理機(jī)構(gòu)規(guī)定，而在美國(guó)、歐洲和印度銷售商業(yè)和住宅照明燈具時(shí)必須要遵守這一規(guī)定。提高輸入電壓的另一個(gè)好處是能夠獲得足夠高的電壓，以便可以使用某種電源設(shè)計(jì)(無論輸入電壓大小)。所以，可以實(shí)現(xiàn)一種通用輸入 LED 燈 (90-253 Vac)。過去，通用輸入也存在一些折中和妥協(xié)。同時(shí)滿足 120 Vac 和 220 Vac 應(yīng)用要求的設(shè)計(jì)具有一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)、一次制造和一種采購項(xiàng)目的好處。但是，要實(shí)現(xiàn)這些，您必須讓設(shè)計(jì)能夠處理高于 110 Vac 運(yùn)行需要的電壓，以及高于高壓應(yīng)用需要的更大電流。相比針對(duì)每個(gè)電壓范圍的優(yōu)化解決方案，這就相當(dāng)于更高的材料清單 (BOM) 成本和更大的組件。

高壓還意味著給定輸出功率的低電流。例如，要構(gòu)建一個(gè) 380 Vdc 總 Vf 的 16W LED 光源(使用 4 個(gè)串聯(lián)/并聯(lián) 4W LED)，要求電流僅為 42 mA。這種低電流意味著更小的存儲(chǔ)電容，從而允許使用長(zhǎng)壽命低成本的陶瓷電容器。使用這種電容器可以增加整體光源的壽命，因?yàn)樗恍枰娊赓|(zhì)電容器。典型的“長(zhǎng)壽命”電解質(zhì)電容標(biāo)稱使用壽命為 20000 小時(shí)，但在過熱情況下會(huì)急劇縮短，而 LED 擁有長(zhǎng)達(dá) 50000 小時(shí)的壽命。在諸如路燈、頂棚照明以及其他高環(huán)境溫度照明應(yīng)用中，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

從效率方面來看，開關(guān)模式 LED 驅(qū)動(dòng)器的主要損耗組件是 LED 本身：開關(guān)電源(IC)、驅(qū)動(dòng) FET 和整流器。讓開關(guān)頻率維持在一個(gè)合理的頻率(例如：150 KHz)可以最小化 FET 的開關(guān)損耗，同時(shí)整流器中低電流就意味著低功耗。90% 以上的效率是可以達(dá)到的，其在整個(gè) VIN 范圍僅稍有不同。

通過下列幾種方法可以達(dá)到功率因數(shù)校正：

1)有源法：利用一個(gè)具有內(nèi)置算法的 IC，讓電流消耗與輸入電壓匹配;

2)填谷法：要求路由二極管和存儲(chǔ)電容在 AC 輸入處在過渡階段時(shí)提供電流;

3)自然法：一般為間斷運(yùn)行反向結(jié)構(gòu)的一個(gè)開關(guān)式電源即 SMPS。

由于要求低壽命的電解質(zhì)，填谷法限制了驅(qū)動(dòng)器的壽命。反向運(yùn)行要求一個(gè)變壓器，從而使成本增加，并且會(huì)形成較多的電磁干擾 (EMI) 輻射(通過變壓器的磁通損耗)以及導(dǎo)通系數(shù)(通過間斷運(yùn)行引起的高壓和電流峰值，以及等于 VIN + VOUT的反射電壓。)

圖2使用一個(gè)有源PFC 器件的簡(jiǎn)單升壓設(shè)計(jì)

將相同方法用于驅(qū)動(dòng)低壓 LED，意味著您必須首先升高 PFC 的輸入電壓，然后將該電壓降至 LED 串的 Vf 壓降。這樣便增加了驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜度和成本，且通常還要增加整個(gè)功率級(jí)來將高 PFC 電壓轉(zhuǎn)換為 LED 電流。一種更常見的低壓 LED 驅(qū)動(dòng)方法是在間斷模式下運(yùn)行的反向拓?fù)渲惺褂秒娫?請(qǐng)參見圖3)。變壓器的匝數(shù)比有助于橋接 VIN 和 Vf 之間的電壓差。這種拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是復(fù)雜性(以及與之相關(guān)的高成本)，無法接受通用 AC 輸入，高 EMI 導(dǎo)通系數(shù)以及輻射(由反射電壓和變壓器磁通損耗引起)。另外，在沒有大容量電容的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)更加困難。高壓大容量電容一般為電解質(zhì)型，且壽命有限，特別是在高熱環(huán)境下。另外，更低電壓會(huì)形成更高的電流，從而使溫度升高，增大電源路徑組件尺寸，同時(shí)也限制了選定 LED 的輸出。

圖3基于低壓變壓器的LED 驅(qū)動(dòng)器

LED 照明的一個(gè)重要屬性是能夠使用現(xiàn)有亮度調(diào)節(jié)解決方案進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)(主要是基于 TRIAC)。這種在整個(gè) TRIAC 范圍進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)的能力也就是較好驅(qū)動(dòng) LED 和較差或者自驅(qū)動(dòng) LED 之間的差別，而 CFL 方法也是這樣一種情況。必須注意避免閃爍(TRIAC 失敗)，并提供足夠的亮度調(diào)節(jié)負(fù)載，以讓調(diào)節(jié)器維持在導(dǎo)通模式下。若想要降低 60 Hz 波形對(duì) LED驅(qū)動(dòng)電壓的影響，并限制傳導(dǎo) EMI 傳回輸入波形(其會(huì)違反 FCC 規(guī)范)，必需對(duì) AC 線路進(jìn)行濾波處理。

在 TRIAC 調(diào)節(jié)和將調(diào)節(jié)結(jié)果轉(zhuǎn)換成等效電壓或者電流期間“解碼”AC 簽名，而其可以被直接插入到電源中，也可以被轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)來根據(jù)調(diào)節(jié)百分比對(duì) LED“開啟”時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣便實(shí)現(xiàn)了亮度調(diào)節(jié)。

進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)時(shí)需要做出許多折中。在驅(qū)動(dòng)器反饋路徑中注入模擬電壓或者電流是最為高成本的一種方法，其要求最小附加電路。但是，它也有一些缺點(diǎn)。PWM SMPS 中可能會(huì)犧牲環(huán)路穩(wěn)定性，并且在電壓瞬態(tài)期間會(huì)出現(xiàn)振蕩或者振鈴。這種現(xiàn)象會(huì)以 LED 光線輸出閃爍的形式出現(xiàn)。另一個(gè)缺點(diǎn)是模擬調(diào)節(jié)減少了 LED 的電流，從而引起調(diào)節(jié)范圍的顏色改變。例如，全電流下的藍(lán)白色 LED 在低電流時(shí)可能會(huì)變得更像黃白色。

利用數(shù)字亮度調(diào)節(jié)(例如：PWM) 可以通過一個(gè)并聯(lián) FET 使其“短路”來開關(guān)LED 串，也可以通過將一個(gè) FET 與電流檢測(cè)電阻器并聯(lián)來讓 LED 串同接地?cái)嚅_。使用這種方法，電流便可保持恒定流過 LED，但是點(diǎn)亮一段時(shí)間后會(huì)變暗。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是顏色在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都不會(huì)發(fā)生變化。

如 Everlight HiVo 系列的 LED 具有可適應(yīng) 110Vac 和 220 Vac 電壓的 Vf 范圍。使用兩個(gè)串聯(lián) 220Vac 可確保有源 PFC 升壓設(shè)計(jì)適應(yīng)所有輸入電壓(90-277 Vac)。將它們串聯(lián)或者并聯(lián)都可以提供覆蓋許多電源和電壓配置的靈活性。

總結(jié)

總之，以 PFC 升壓配置結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)時(shí)，HVHB LED 具有小尺寸、高 PFC、高效率、低成本和低復(fù)雜度的優(yōu)點(diǎn)。所有這些優(yōu)點(diǎn)為今天市售的一些 CFL 照明解決方案提供了一種極具競(jìng)爭(zhēng)力和引人注目的解決方案。