改良降壓拓撲電路 LED驅(qū)動器提升燈泡功率因數(shù)

各國對LED燈泡的功率因數(shù)要求日趨嚴格，讓LED驅(qū)動電路設(shè)計挑戰(zhàn)與日俱增，因此半導(dǎo)體業(yè)者藉由改良降壓拓撲結(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)動方案，有助開發(fā)人員設(shè)計出功率因數(shù)達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準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示的功率付款，但電力公司實際上必須產(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-安的負載，只略低于60瓦白熾燈泡伏-安數(shù)的 50%。

也因此，美國能源之星(EnergyStar)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0.9。放眼全球，美國對LED燈泡的功率因數(shù)要求并非最為嚴格；最嚴格的當屬韓國，該國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0.9，此要求將為設(shè)計LED驅(qū)動電路的設(shè)計人員帶來挑戰(zhàn)，他們必須綜合評估能效、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)入降壓拓撲結(jié)構(gòu)電路LED燈泡PF大躍進

白熾燈泡只為某個特定線路的電壓而設(shè)計；但設(shè)計師不須要考慮如何使一個通用設(shè)計的LED燈泡風行全球。此外，LED燈泡內(nèi)的電源不須要與負載電氣隔離，因其整合在單個殼體(Housing)中；但仍須注意機構(gòu)的設(shè)計，必須以物理方法符合安全要求。考慮到這點，設(shè)計人員就不再須要倚賴隔離返馳拓撲結(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)化降壓拓撲結(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。降壓拓撲結(jié)構(gòu)的缺點是輸入電壓Vin大于輸出電壓Vout后，才有電流流動，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，因為與線路電壓相比，串聯(lián)LED的數(shù)量相對較少，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)通時間控制，這種控制模式下，電感、電流到達零時，將重新開始一個開關(guān)周期。為了控制功率，設(shè)計人員須使用回饋來調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間，并可運用相同的概念來實現(xiàn)降壓拓撲結(jié)構(gòu)。于固定導(dǎo)通時間情況下，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。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PFLED控制器扮要角

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。其可簡化架構(gòu)，主因系可直接感測峰值LED電流，并驅(qū)動單結(jié)型場效應(yīng)電晶體(FET)，毋須使用位準轉(zhuǎn)換器。

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

在此制作一個18瓦LED驅(qū)動電路示例，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)動一串共八顆LED，輸出紋波低于±30%。

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燈泡最嚴格功率因數(shù)要求的設(shè)計難題。設(shè)計人員透過改變金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體 (MOSFET)及減小電感尺寸，可以調(diào)校LED燈泡基本設(shè)計，用于更低功率的應(yīng)用。此點至關(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，增加市場接受度。