離線LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在考慮使用LED驅(qū)動(dòng)器將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為用于LED負(fù)載的恒定電流源的拓?fù)鋾r(shí)，將LED應(yīng)用分為三種功率水平是有幫助的：（1）低功率應(yīng)用。要求輸入低于20W，例如燈條、R燈和白熾燈的替換品；（2）中等功率應(yīng)用。輸入最高為50W，例如天花板筒燈和L燈；（3）高功率應(yīng)用。要求輸入高于50W，例如標(biāo)牌燈或街燈。設(shè)計(jì)人員在這三種功率范圍內(nèi)面對(duì)不同的挑戰(zhàn)組合，包括成本、安裝LED驅(qū)動(dòng)器的空間、效率、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、功率因數(shù)、平均失效時(shí)間(mean-time-to-failure, MTTF)以及可靠性，上述只是諸多挑戰(zhàn)中的一些。本文將推薦在這三種基本功率范圍內(nèi)使用的基本拓?fù)湟詰?yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

低功率解決方案面向小尺寸照明燈應(yīng)用，這些應(yīng)用要求安裝LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)體積小，通過(guò)控制流過(guò)LED的電流來(lái)達(dá)到穩(wěn)定的光輻射，并具有高效率和低成本。為了符合“能源之星(Energy Star)”對(duì)于照明器具的規(guī)劃要求，對(duì)于住宅燈具的功率因數(shù)必須≥0.7，并且對(duì)于輸入功率大于5W的商業(yè)應(yīng)用，功率因數(shù)必須≥ 0.9。

（1）如果不需要LED驅(qū)動(dòng)器隔離，降壓調(diào)節(jié)器拓?fù)渚哂凶畹偷腂OM成本，因而是可以考慮的低成本解決方案。圖1為非隔離降壓拓?fù)涫纠?，包括了功率因?shù)校正和調(diào)光能力，僅有一個(gè)磁性元件（一個(gè)簡(jiǎn)單電感）和一個(gè)單一MOSFET/二極管對(duì)，用于降壓功率轉(zhuǎn)換。如果輸入電壓高于LED負(fù)載所需的輸出電壓，此拓?fù)錇樽罴堰x擇。

圖1 帶有PFC的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器

在需要隔離LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，一個(gè)好的拓?fù)溥x擇就是初級(jí)端調(diào)節(jié)(primary-side regulated，PSR)反激拓?fù)洌粓D2是一個(gè)PSR反激LED驅(qū)動(dòng)器示例。無(wú)需次級(jí)端反饋，可以降低成本，因而此拓?fù)涞脑?shù)目較少，可以實(shí)現(xiàn)良好的恒定電流調(diào)節(jié)。控制器中可以集成MOSFET以減少BOM數(shù)目及減少印刷線路板空間。因無(wú)需使用用于次級(jí)反饋的光隔離器PSR反激的可靠性得以提高。

圖2 初級(jí)端調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器

對(duì)于PSR反激拓?fù)?，不連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)是首選的工作模式，因?yàn)樗梢愿玫卣{(diào)節(jié)輸出。典型波形如圖3所示。

圖3 DCM反激轉(zhuǎn)換器波形

當(dāng)PSR LED驅(qū)動(dòng)器以恒定電壓調(diào)節(jié)模式工作時(shí)，在電感器電流放電時(shí)間Tdis期間，輸出電壓和二極管正向電壓降之和被反映至輔助線圈端。因?yàn)槎O管正向電壓降隨著通過(guò)二極管的輸出電流減少而減少，在二極管放電時(shí)間Tdis的末端，輔助線圈電壓反映了輸出電壓。通過(guò)在二極管放電時(shí)間末端對(duì)輔助線圈電壓進(jìn)行采樣，獲得輸出電壓的信息。

當(dāng)以恒定電流調(diào)節(jié)模式工作時(shí)，使用峰值漏極電流IPEAK和電感電流放電時(shí)間Tdis可以估算輸出電流，因?yàn)樵诜€(wěn)定狀態(tài)下輸出電流與二極管電流的平均值相同。采用飛兆半導(dǎo)體創(chuàng)新的TRUECURRENT?技術(shù)，可以精確控制恒定電流輸出。

PSR拓?fù)涞男士梢赃_(dá)到85%。作為一個(gè)例子，考慮8.4W的應(yīng)用，LED驅(qū)動(dòng)器的總功率損耗在85VAC輸入時(shí)測(cè)得為1.32W。損耗的支出，最大來(lái)自于變壓器，估計(jì)為0.55W，隨后是緩沖電路(如圖2所示，二極管與并聯(lián)的電阻和電容串聯(lián)，跨接在變壓器初級(jí)線圈上)，其損耗為0.31W，MOSFET的損耗為0.26W，以及輸出整流和橋式整流器一起的0.20W損耗。

（2）變壓器和緩沖電路通常是較主要的功率耗散組件，由于來(lái)自變壓器的漏電感，因而需要緩沖電路來(lái)防止電壓施壓在MOSFET上，假如未注意到這兩個(gè)設(shè)計(jì)方面，印刷線路板和輸入EMI濾波器也可以成為顯著的功率耗散來(lái)源。

總體1.32W損耗可能看起來(lái)并不是功率損耗的重要來(lái)源，但在一個(gè)低功率LED驅(qū)動(dòng)器中，LED負(fù)載靠近驅(qū)動(dòng)器，因而使設(shè)計(jì)發(fā)熱的是總體負(fù)載功率加上驅(qū)動(dòng)器損耗。熱傳遞不會(huì)選擇強(qiáng)制冷卻氣流，因而上面引用的示例必須使用能夠從半導(dǎo)體和電氣器件中高效傳導(dǎo)8.4W功率的燈具，以便維持可靠性。假如散熱解決方案不能夠平衡這一功率并保持元件低溫，那么，使用電解電容器會(huì)減少設(shè)計(jì)的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTTF)。

中等功率解決方案仍然要求小體積設(shè)計(jì)和功率因數(shù)校正。在該功率范圍內(nèi)效率和可靠性仍然是重要的設(shè)計(jì)制約?？墒褂玫牧己猛?fù)涫菃渭?jí)功率因數(shù)校正反激拓?fù)?，如圖4所示。

圖4.單級(jí)PFC反激轉(zhuǎn)換器

單級(jí)設(shè)計(jì)減少了元件數(shù)目并且無(wú)需輸入大體積電容器，不僅節(jié)省了設(shè)計(jì)空間，而且也降低了成本。用于功率因數(shù)校正控制的反激，使用了次級(jí)反饋。采用這些中等功率反激拓?fù)湓O(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)84%的效率。因?yàn)橥負(fù)洳捎梅醇し绞?，在該LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，變壓器和緩沖電路仍然是主要的功耗損耗來(lái)源。在中等功率范圍中，較高的功率水平增加了緩沖電路的功率損耗，因?yàn)榫彌_電路損耗與變壓器漏電感和MOSFET中峰值電流平方的乘積成比例。在該中等功率設(shè)計(jì)中，變壓器的尺寸正在增加，而且MOSFET中的峰值電流也在增加。

大功率解決方案關(guān)注最佳的效率和可靠性，合理的成本以及較少的BOM數(shù)目。推薦使用兩級(jí)式LED驅(qū)動(dòng)器。第一級(jí)用于功率因數(shù)校正，隨后是DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)來(lái)調(diào)節(jié)恒定電流輸出。第一級(jí)可以采用與中等功率范圍單級(jí)PFC反激轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相同的控制器。為了在該兩級(jí)方法中減少元件數(shù)目，在第一級(jí)上，控制器集成了一些元件和特性。

這里推薦兩種次級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇：準(zhǔn)諧振反激，用于低于100W的應(yīng)用，或者

圖5 兩級(jí)PFC + QR反激示例

圖6 兩級(jí)PFC + LLC示例

大功率應(yīng)用通常使用多串LED。圖6顯示了使用次級(jí)控制器來(lái)平衡通過(guò)不同LED串負(fù)載的電流。

結(jié)論

本文針對(duì)三種不同功率范圍的離線LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，推薦了不同的拓?fù)洹８鶕?jù)不斷增加的LED負(fù)載功率水平，提出了降壓轉(zhuǎn)換器、PFC單級(jí)反激，以及兩級(jí)PFC反激，并隨后提出了QR反激或LLC方案。每種推薦的拓?fù)浞桨付蓟诎惭bLED驅(qū)動(dòng)器的可用設(shè)計(jì)空間、效率要求、可靠性、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性等考慮，能夠最好地滿足上述限制條件。