高亮度、低成本的LED驅(qū)動初級端調(diào)節(jié)技術(shù)

隨著LED照明行業(yè)的屢創(chuàng)新高，節(jié)能和環(huán)保話題日益受到重視。高亮度、低能耗、壽命長的照明設(shè)備成為照明市場的走向。低成本的LED驅(qū)動技術(shù)也成為研究熱點。現(xiàn)如今的LED驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)更小的尺寸、更低的成本和更高的效率。

圖1 傳統(tǒng)的次級端調(diào)節(jié)離線LED驅(qū)動器

　　對傳統(tǒng)照明源白熾燈而言，驅(qū)動是輕而易舉的事情，只要讓燈泡直接與電壓源連接就行了。大多數(shù)能源都是以恒定電壓的形式存在的，這使得白熾燈的驅(qū)動成本相當(dāng)?shù)汀Ｈ欢?，LED有一個光輸出強(qiáng)度，這與它的電流及正向壓降成正比，并隨溫度而變化。因此，LED需要一個恒定電流來驅(qū)動，并需要額外的電路。傳統(tǒng)上，LED的離線恒定電流驅(qū)動器一般是采用帶輸出電流調(diào)節(jié)電路(見圖1)的隔離反激式轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。通過一個檢測電阻測量實際的LED電壓，然后與參考電壓數(shù)值進(jìn)行比較，得出誤差電壓。該誤差電壓經(jīng)由光耦合器被傳送到初級端，用于控制初級端開關(guān)器件的占空比。盡管這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)出色的LED電流調(diào)節(jié)，但輸出調(diào)節(jié)電路需要光耦合器、參考電壓和檢測電阻，大大增加了系統(tǒng)成本，降低了總體效率。

　　初級端調(diào)節(jié)(primarysideregulation，PSR)技術(shù)可能是將離線LED驅(qū)動器的成本降至最低的最佳解決方案。這項技術(shù)只需驅(qū)動器初級端的信息，就可精確控制次級端的LED電流，不僅消除了輸出電流檢測損耗，同時省去所有次級反饋電路，從而在不產(chǎn)生龐大成本的前提下提高離線LED驅(qū)動器設(shè)計的效率。此外，該技術(shù)無須次級端反饋電路，即可調(diào)節(jié)LED驅(qū)動器輸出電壓，這相當(dāng)于提供了一種開燈過壓保護(hù)功能，進(jìn)一步確保了驅(qū)動器的可靠性。本文將論述初級端調(diào)節(jié)技術(shù)的基本工作原理，并介紹一種高集成度的初級端調(diào)節(jié)PWM控制器。與傳統(tǒng)的次級端調(diào)節(jié)方法相比，這種控制器擁有多種顯著的優(yōu)勢。

圖2 初級端調(diào)節(jié)離線LED驅(qū)動器及其典型波形　　初級端調(diào)節(jié)的基本概念

　　圖2為初級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其典型波形。一般而言，斷續(xù)傳導(dǎo)模式(discontinuousconductionmode，DCM)輸出調(diào)節(jié)性能較好，因此是初級端調(diào)節(jié)的首選工作模式。初級端調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于如何在無直接檢測的前提下獲得輸出電壓和電流的信息。一旦獲得這些數(shù)值，通過傳統(tǒng)的PI控制方法就可以輕易進(jìn)行控制了。

　　在MOSFET導(dǎo)通時間(TON)內(nèi)，初級端電感(Lm)加載輸入電壓(VIN)。于是，MOSFET電流(Ids)從0線性增加到峰值(Ipk)。在這段時間內(nèi)，能量從輸入端轉(zhuǎn)移存儲在電感中。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，存儲在電感中的能量促使整流二極管(D)導(dǎo)通。在二極管導(dǎo)通時間(TD)內(nèi)，輸出電壓(Vo)加載在次級端電感上(LmxNs2/Np2)，二極管電流(ID)從峰值(IpkxNp/Ns)線性下降至0。在TD結(jié)束時，所有存儲在電感中的能量都釋放到輸出端。在此期間，輸出電壓和二極管正向壓降之和反映到輔助繞組端，表示為(VoVF)xNa/Ns。由于二極管正向壓降隨電流減小而減小，在二極管導(dǎo)通時間結(jié)束時，二極管電流減小為0，故這時輔助繞組電壓能最好地反映出輸出電壓。因此，通過在二極管導(dǎo)通時間結(jié)束時對繞組電壓進(jìn)行簡單采樣，就可以得到輸出電壓的信息，而二極管導(dǎo)通時間則可通過監(jiān)控輔助繞組電壓而獲得。

圖3 集成式電源開關(guān)的內(nèi)部模塊示意圖

　　同時，輸出電流的估算需要一些乘法計算。假設(shè)輸出電流與二極管穩(wěn)態(tài)時的平均電流相等，輸出電流可通過下式估算：Io=Ipkx(Np/Ns)x(TD/2Ts)。輸出電流估算器通過一個峰值檢測電路來獲取漏極電流峰值，并利用二極管導(dǎo)通時間(TD)計算出輸出電流。

　　集成式初級端調(diào)節(jié)控制器

　　初級端調(diào)節(jié)PWM控制器是一種專門處理初級端調(diào)節(jié)離線LED驅(qū)動器設(shè)計的技術(shù)。這種技術(shù)可顯著簡化滿足更嚴(yán)苛效率要求的設(shè)計難題，并省去增加成本和可靠性問題的外部組件，如光耦合器和KA431。圖3為FAN102的內(nèi)部模塊示意圖。該器件具有一個用于誤差放大器的容差為±1%的內(nèi)部參考電壓，可以根據(jù)外部組件的容差將輸入電流/電壓變化減至最小，另外還帶有一個集成式外部組件溫度變化補(bǔ)償電路，無論溫度如何變化，均可獲得高精度。其內(nèi)部振蕩器具有跳頻功能以減小EMI，可在輸入端使用小型線路濾波器。