解析如何為白光LED驅(qū)動(dòng)選擇最好的拓?fù)?/h1>
白熾燈時(shí)代即將和我們告別了。整個(gè)20世紀(jì)，愛迪生發(fā)明的白熾燈經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，成為標(biāo)準(zhǔn)的通用照明工具。但新的照明技術(shù)－尤其是發(fā)光二極管（LED）－必將最終代替白熾燈和熒光燈。
當(dāng)整個(gè)世界都在因?yàn)槿找嫔仙哪茉闯杀径?jié)省能源預(yù)算時(shí)，白熾燈照明技術(shù)顯然站在了錯(cuò)誤的一邊。一個(gè)白熾燈消耗的能源中有97％被浪費(fèi)。熒光燈雖然稍好一些，但仍然浪費(fèi)了85％的能量。而且，這兩種燈的平均使用壽命都只有大約5000個(gè)小時(shí)。另外，熒光燈還使用了有毒的汞，發(fā)出的光更是顏色粗糙。這兩種技術(shù)都無法和白光LED相比－它不僅使用壽命是前者的10倍，也不使用有毒物質(zhì)，而且?guī)缀跄馨l(fā)出任何顏色的光。更重要的是，它的光轉(zhuǎn)換效率絕不亞于熒光燈。
表格1：各種照明技術(shù)對比
因此，在通用照明應(yīng)用領(lǐng)域，向LED技術(shù)的過渡將大大降低能源消耗。美國能源部最近一項(xiàng)研究預(yù)測指出，到2025年，廣泛推廣的白光LED將為全球節(jié)省10％的電能，節(jié)約資金達(dá)到1000億美元。美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室表示，這樣的能源節(jié)省意味著全球的發(fā)電廠每年排放的二氧化碳要減少3.5億噸。政府領(lǐng)導(dǎo)人都開始注意到了這一點(diǎn)。比如，最近澳大利亞就宣布了一項(xiàng)法令終止使用低效率白熾燈，作為其減少溫室氣體排放并降低家庭能源支出計(jì)劃的一部分。
盡管白光LED是當(dāng)今的大規(guī)模照明的一個(gè)理想方案，但若要把驅(qū)動(dòng)LED的電子設(shè)備普及到每一個(gè)燈泡中，設(shè)計(jì)者還面臨著不小的挑戰(zhàn)。首先，空間的限制要求LED驅(qū)動(dòng)器必須小巧且高效。同時(shí)還要考慮散熱因素，它對于照明設(shè)備的可靠性有重要影響，給設(shè)計(jì)密度帶來了限制。最后，設(shè)計(jì)者還必須認(rèn)真考慮其產(chǎn)品的EMI影響。
由于用戶無法獲得驅(qū)動(dòng)設(shè)備，設(shè)計(jì)者可以在低功率（≤3 W）照明領(lǐng)域采用基于非隔離式商業(yè)成品型(COTS)感應(yīng)器的降壓和降壓/升壓開關(guān)模式電源（SMPS）轉(zhuǎn)換器。這兩種電路都不需要變壓器，并且具有很多其它優(yōu)點(diǎn)。本文就將對這兩種拓?fù)溥M(jìn)行對比，并討論每個(gè)拓?fù)涞恼壑浴?/FONT>
2個(gè)拓?fù)?/STRONG>
圖1展示了1個(gè)被配置成1個(gè)基本降壓轉(zhuǎn)換器（1a）和1個(gè)基本降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的LinkSwitch-TN。LinkSwitch-TN在1張單片IC上集成了1個(gè)功率MOSFET、振蕩器、簡單開/關(guān)控制方案、1個(gè)高電壓開關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、逐周限流和熱關(guān)斷電路，從而簡化了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，并減少了組件數(shù)量。它是通過DRAIN管腳實(shí)現(xiàn)自供電的，因此不需要偏置電源及相關(guān)電路。作為一個(gè)用于在360mA范圍以下代替線性和電容型非隔離式電源的低成本高效型方案，LinkSwitch-TN具有一流的線性調(diào)節(jié)和復(fù)雜調(diào)節(jié)功能，效率比無源方案要高，而功率因素則高于電容型方案。
圖1：LinkSwitch-TN作為a) 1個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和 b) 1個(gè)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的基本配置
圖1a中所示的降壓轉(zhuǎn)換器有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，它使對應(yīng)某個(gè)選定的LinkSwitch-TN設(shè)備和感應(yīng)器數(shù)值的輸出功率最大化。它還降低了電源開關(guān)和續(xù)流二極管上的電壓應(yīng)力。另外，該降壓轉(zhuǎn)換器中流過輸出感應(yīng)器的平均電流稍低于降壓/升壓轉(zhuǎn)換器中流過輸出感應(yīng)器的平均電流。
降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的配置比起降壓轉(zhuǎn)換器有一個(gè)主要優(yōu)勢：它的輸出二極管是和負(fù)載串聯(lián)的。在降壓轉(zhuǎn)換器中，如果MOSFET短路，輸入會(huì)直接和輸出相連。而如果在降壓/升壓轉(zhuǎn)換器發(fā)生MOSFET短路，反向偏置輸出二極管會(huì)堵住輸入和輸出之間的通道。
在這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器中，交流輸入都是由D1、D2、C1、C2、RF1和RF2整流并過濾。2個(gè)二極管增強(qiáng)了耐線電涌性能和傳到EMI。設(shè)計(jì)者必須在RF1上采用1個(gè)熔斷防火電阻，但在RF2上則只需采用1個(gè)防火電阻。Linkswitch-TN中的開/關(guān)控制是用來調(diào)整輸出電流的。一旦進(jìn)入回饋管腳的電流超過了49 μA，MOSFET開關(guān)就會(huì)失效，以準(zhǔn)備下一個(gè)開關(guān)周期。
將熱量最小化
熱管理是LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)者面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。盡管LED的效率比白熾燈要高，在3W時(shí)它的電路還是會(huì)達(dá)到一個(gè)足以危機(jī)設(shè)備完整性的溫度等級。而且，若要將驅(qū)動(dòng)設(shè)備集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的GU10燈座中，對散熱會(huì)造成很大的困難。此時(shí)，唯一的散熱方法就是將熱量傳導(dǎo)到燈的底座。在上文所談到的方案中，LinkSwitch-TN可以添加一個(gè)熱關(guān)斷電路，在內(nèi)核溫度超過142℃時(shí)關(guān)閉功率MOSFET，從而保護(hù)LED不受損壞。一旦內(nèi)核溫度降低了75℃時(shí)，MOSFET就能自動(dòng)重啟。
降壓/升壓拓?fù)涞男时冉祲和負(fù)湟晕⒌鸵恍?，因?yàn)殡娫床⒉粫?huì)在每次MOSFET開關(guān)開啟時(shí)都傳輸?shù)捷敵鎏?。因此，它產(chǎn)生的熱量也相對較多，但二者相差并不大。
表2：作為輸入電壓函數(shù)的源管腳溫度
為了確保電路拓?fù)淠軌驖M足熱調(diào)節(jié)要求，Power Integrations公司的設(shè)計(jì)者將一個(gè)電源組裝部件安裝到槽座里，然后測量LNK306DN上（Linkswitch-TN產(chǎn)品系列之一）源管腳的溫度。LNK306DN是用來將負(fù)載電流調(diào)整到330mA，以驅(qū)動(dòng)3個(gè)串聯(lián)的LED。它的輸入是85 " 265 VAC的通用輸入范圍。
理想狀態(tài)下，管腳電源溫度是不能超過100℃的。但是，正如上面圖表所示，在25℃的室溫環(huán)境下，源管腳溫度會(huì)隨著Vin的上升而急劇升高，并在Vin達(dá)到265 VAC時(shí)超過100℃。因此，設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行額外的散熱，比如在U1 SO-8C封裝的頂端添加散熱片，才能滿足熱管理要求。
控制EMI
LED驅(qū)動(dòng)電路必須符合關(guān)于傳導(dǎo)EMI的EN55022B/CISPR22B標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到開關(guān)IC的高開關(guān)頻率以及GU10燈座的有限尺寸，這些要求又給設(shè)計(jì)者帶來了另一個(gè)很大的難題。降壓/升壓電路拓?fù)渲械腅MI噪音電流回路從MOSFET開始延伸到輸出二極管、輸出電容器并返回輸入電容器，而降壓拓?fù)渲械腅MI噪音電流回路是從MOSFET開始穿過續(xù)流二極管并返回到輸入電容器，前者比后者要長。因此，在降壓/升壓設(shè)計(jì)中降噪就相對更難一些。
圖2：LED濾波器和電路板
為了符合工業(yè)EMI規(guī)格，Power Integration的工程師將驅(qū)動(dòng)設(shè)備分成了兩個(gè)板：第1個(gè)是位于頂端的轉(zhuǎn)換板，另1個(gè)是位于底部的輸入整流/EMI濾波器板。接著，他們在兩個(gè)板之間放置了1個(gè)法拉第屏蔽板。該屏蔽板和轉(zhuǎn)換器板相連，包含了1張單面鍍銅PCB，該P(yáng)CB另一端位于底部的輸入整流/EMI濾波器板上。采用這一設(shè)計(jì)來驅(qū)動(dòng)3個(gè)LED時(shí)，輸入電壓為230VAC的情況下傳導(dǎo)EMI比工業(yè)EMI標(biāo)準(zhǔn)要求低了大約7 dBμV。
圖3：EMI結(jié)果（轉(zhuǎn)換器板）
從成本的角度來考慮，這兩個(gè)拓?fù)溆兄嗨频膬?yōu)點(diǎn)。一個(gè)典型設(shè)計(jì)方案一般只需要大約25個(gè)組件，而且能夠使用低成本的現(xiàn)成的感應(yīng)器，而不需要定制的變壓器。
在電流感應(yīng)反饋回路的設(shè)計(jì)上有一個(gè)很重要的區(qū)別。電
加入技術(shù)交流群
白熾燈時(shí)代即將和我們告別了。整個(gè)20世紀(jì)，愛迪生發(fā)明的白熾燈經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，成為標(biāo)準(zhǔn)的通用照明工具。但新的照明技術(shù)－尤其是發(fā)光二極管（LED）－必將最終代替白熾燈和熒光燈。
當(dāng)整個(gè)世界都在因?yàn)槿找嫔仙哪茉闯杀径?jié)省能源預(yù)算時(shí)，白熾燈照明技術(shù)顯然站在了錯(cuò)誤的一邊。一個(gè)白熾燈消耗的能源中有97％被浪費(fèi)。熒光燈雖然稍好一些，但仍然浪費(fèi)了85％的能量。而且，這兩種燈的平均使用壽命都只有大約5000個(gè)小時(shí)。另外，熒光燈還使用了有毒的汞，發(fā)出的光更是顏色粗糙。這兩種技術(shù)都無法和白光LED相比－它不僅使用壽命是前者的10倍，也不使用有毒物質(zhì)，而且?guī)缀跄馨l(fā)出任何顏色的光。更重要的是，它的光轉(zhuǎn)換效率絕不亞于熒光燈。
表格1：各種照明技術(shù)對比
因此，在通用照明應(yīng)用領(lǐng)域，向LED技術(shù)的過渡將大大降低能源消耗。美國能源部最近一項(xiàng)研究預(yù)測指出，到2025年，廣泛推廣的白光LED將為全球節(jié)省10％的電能，節(jié)約資金達(dá)到1000億美元。美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室表示，這樣的能源節(jié)省意味著全球的發(fā)電廠每年排放的二氧化碳要減少3.5億噸。政府領(lǐng)導(dǎo)人都開始注意到了這一點(diǎn)。比如，最近澳大利亞就宣布了一項(xiàng)法令終止使用低效率白熾燈，作為其減少溫室氣體排放并降低家庭能源支出計(jì)劃的一部分。
盡管白光LED是當(dāng)今的大規(guī)模照明的一個(gè)理想方案，但若要把驅(qū)動(dòng)LED的電子設(shè)備普及到每一個(gè)燈泡中，設(shè)計(jì)者還面臨著不小的挑戰(zhàn)。首先，空間的限制要求LED驅(qū)動(dòng)器必須小巧且高效。同時(shí)還要考慮散熱因素，它對于照明設(shè)備的可靠性有重要影響，給設(shè)計(jì)密度帶來了限制。最后，設(shè)計(jì)者還必須認(rèn)真考慮其產(chǎn)品的EMI影響。
由于用戶無法獲得驅(qū)動(dòng)設(shè)備，設(shè)計(jì)者可以在低功率（≤3 W）照明領(lǐng)域采用基于非隔離式商業(yè)成品型(COTS)感應(yīng)器的降壓和降壓/升壓開關(guān)模式電源（SMPS）轉(zhuǎn)換器。這兩種電路都不需要變壓器，并且具有很多其它優(yōu)點(diǎn)。本文就將對這兩種拓?fù)溥M(jìn)行對比，并討論每個(gè)拓?fù)涞恼壑浴?/FONT>
2個(gè)拓?fù)?/STRONG>
圖1展示了1個(gè)被配置成1個(gè)基本降壓轉(zhuǎn)換器（1a）和1個(gè)基本降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的LinkSwitch-TN。LinkSwitch-TN在1張單片IC上集成了1個(gè)功率MOSFET、振蕩器、簡單開/關(guān)控制方案、1個(gè)高電壓開關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、逐周限流和熱關(guān)斷電路，從而簡化了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，并減少了組件數(shù)量。它是通過DRAIN管腳實(shí)現(xiàn)自供電的，因此不需要偏置電源及相關(guān)電路。作為一個(gè)用于在360mA范圍以下代替線性和電容型非隔離式電源的低成本高效型方案，LinkSwitch-TN具有一流的線性調(diào)節(jié)和復(fù)雜調(diào)節(jié)功能，效率比無源方案要高，而功率因素則高于電容型方案。
圖1：LinkSwitch-TN作為a) 1個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和 b) 1個(gè)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的基本配置
圖1a中所示的降壓轉(zhuǎn)換器有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，它使對應(yīng)某個(gè)選定的LinkSwitch-TN設(shè)備和感應(yīng)器數(shù)值的輸出功率最大化。它還降低了電源開關(guān)和續(xù)流二極管上的電壓應(yīng)力。另外，該降壓轉(zhuǎn)換器中流過輸出感應(yīng)器的平均電流稍低于降壓/升壓轉(zhuǎn)換器中流過輸出感應(yīng)器的平均電流。
降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的配置比起降壓轉(zhuǎn)換器有一個(gè)主要優(yōu)勢：它的輸出二極管是和負(fù)載串聯(lián)的。在降壓轉(zhuǎn)換器中，如果MOSFET短路，輸入會(huì)直接和輸出相連。而如果在降壓/升壓轉(zhuǎn)換器發(fā)生MOSFET短路，反向偏置輸出二極管會(huì)堵住輸入和輸出之間的通道。
在這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器中，交流輸入都是由D1、D2、C1、C2、RF1和RF2整流并過濾。2個(gè)二極管增強(qiáng)了耐線電涌性能和傳到EMI。設(shè)計(jì)者必須在RF1上采用1個(gè)熔斷防火電阻，但在RF2上則只需采用1個(gè)防火電阻。Linkswitch-TN中的開/關(guān)控制是用來調(diào)整輸出電流的。一旦進(jìn)入回饋管腳的電流超過了49 μA，MOSFET開關(guān)就會(huì)失效，以準(zhǔn)備下一個(gè)開關(guān)周期。
將熱量最小化
熱管理是LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)者面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。盡管LED的效率比白熾燈要高，在3W時(shí)它的電路還是會(huì)達(dá)到一個(gè)足以危機(jī)設(shè)備完整性的溫度等級。而且，若要將驅(qū)動(dòng)設(shè)備集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的GU10燈座中，對散熱會(huì)造成很大的困難。此時(shí)，唯一的散熱方法就是將熱量傳導(dǎo)到燈的底座。在上文所談到的方案中，LinkSwitch-TN可以添加一個(gè)熱關(guān)斷電路，在內(nèi)核溫度超過142℃時(shí)關(guān)閉功率MOSFET，從而保護(hù)LED不受損壞。一旦內(nèi)核溫度降低了75℃時(shí)，MOSFET就能自動(dòng)重啟。
降壓/升壓拓?fù)涞男时冉祲和負(fù)湟晕⒌鸵恍?，因?yàn)殡娫床⒉粫?huì)在每次MOSFET開關(guān)開啟時(shí)都傳輸?shù)捷敵鎏?。因此，它產(chǎn)生的熱量也相對較多，但二者相差并不大。
表2：作為輸入電壓函數(shù)的源管腳溫度
為了確保電路拓?fù)淠軌驖M足熱調(diào)節(jié)要求，Power Integrations公司的設(shè)計(jì)者將一個(gè)電源組裝部件安裝到槽座里，然后測量LNK306DN上（Linkswitch-TN產(chǎn)品系列之一）源管腳的溫度。LNK306DN是用來將負(fù)載電流調(diào)整到330mA，以驅(qū)動(dòng)3個(gè)串聯(lián)的LED。它的輸入是85 " 265 VAC的通用輸入范圍。
理想狀態(tài)下，管腳電源溫度是不能超過100℃的。但是，正如上面圖表所示，在25℃的室溫環(huán)境下，源管腳溫度會(huì)隨著Vin的上升而急劇升高，并在Vin達(dá)到265 VAC時(shí)超過100℃。因此，設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行額外的散熱，比如在U1 SO-8C封裝的頂端添加散熱片，才能滿足熱管理要求。
控制EMI
LED驅(qū)動(dòng)電路必須符合關(guān)于傳導(dǎo)EMI的EN55022B/CISPR22B標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到開關(guān)IC的高開關(guān)頻率以及GU10燈座的有限尺寸，這些要求又給設(shè)計(jì)者帶來了另一個(gè)很大的難題。降壓/升壓電路拓?fù)渲械腅MI噪音電流回路從MOSFET開始延伸到輸出二極管、輸出電容器并返回輸入電容器，而降壓拓?fù)渲械腅MI噪音電流回路是從MOSFET開始穿過續(xù)流二極管并返回到輸入電容器，前者比后者要長。因此，在降壓/升壓設(shè)計(jì)中降噪就相對更難一些。
圖2：LED濾波器和電路板
為了符合工業(yè)EMI規(guī)格，Power Integration的工程師將驅(qū)動(dòng)設(shè)備分成了兩個(gè)板：第1個(gè)是位于頂端的轉(zhuǎn)換板，另1個(gè)是位于底部的輸入整流/EMI濾波器板。接著，他們在兩個(gè)板之間放置了1個(gè)法拉第屏蔽板。該屏蔽板和轉(zhuǎn)換器板相連，包含了1張單面鍍銅PCB，該P(yáng)CB另一端位于底部的輸入整流/EMI濾波器板上。采用這一設(shè)計(jì)來驅(qū)動(dòng)3個(gè)LED時(shí)，輸入電壓為230VAC的情況下傳導(dǎo)EMI比工業(yè)EMI標(biāo)準(zhǔn)要求低了大約7 dBμV。
圖3：EMI結(jié)果（轉(zhuǎn)換器板）
從成本的角度來考慮，這兩個(gè)拓?fù)溆兄嗨频膬?yōu)點(diǎn)。一個(gè)典型設(shè)計(jì)方案一般只需要大約25個(gè)組件，而且能夠使用低成本的現(xiàn)成的感應(yīng)器，而不需要定制的變壓器。
在電流感應(yīng)反饋回路的設(shè)計(jì)上有一個(gè)很重要的區(qū)別。電
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