考慮PFC相位控制調(diào)光　多級LED驅(qū)動器脫穎而出

　　目前設(shè)計一般的基本發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動器照明應(yīng)用相對較簡單，但是如果還需要其他功能如相位控制調(diào)光和功率因子校正(PFC)，設(shè)計就變得復(fù)雜。無功率因子校正功能的非調(diào)光LED驅(qū)動器通常包含一個脫機式開關(guān)電源，用于在恒定電流下調(diào)節(jié)輸出。

　　這與標(biāo)準(zhǔn)脫機式開關(guān)電源如交流對直流(AC/DC)適配器內(nèi)常用的類型，差別不大。這類設(shè)計基于標(biāo)準(zhǔn)交換式電源供應(yīng)器(SMPS)電路拓撲，如降壓、升壓和逆向變換器。

　　新標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)策LED調(diào)光技術(shù)突破

　　2009年12月3日，美國能源部(DOE)發(fā)布了最終版《整體式LED燈能源之星認證》要求家用LED驅(qū)動器的功率因子必須高于0.7。工業(yè)應(yīng)用要求預(yù)計高于0.9。目前，市面上的很多產(chǎn)品均無法滿足這些要求，因此將來勢必須要更先進的設(shè)計。有兩種基本功率因子校正方法：低成本的無源功率因子校正(被動式PFC)和有源功率因素校正(主動式PFC)。前者較簡單，后者較復(fù)雜，但這兩種方法均要求在轉(zhuǎn)換器的前端安裝其他電路。

　　在深入探討這些方法之前，應(yīng)該提到的是，為了達到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)，LED驅(qū)動器還必須具有調(diào)光功能。

　　這通常意味著，可以利用基于相位控制工作原理(其最初設(shè)計應(yīng)用于純電阻式白熾燈)的現(xiàn)有壁式調(diào)光器進行調(diào)光。雖然其他調(diào)光方法如線性0~10伏特調(diào)光，或數(shù)字尋址照明接口(DALI)可能也符合要求，但其很可能僅限于高端工業(yè)類LED驅(qū)動器。相位控制調(diào)光器是目前為止使用最廣泛的調(diào)光器，很明顯這對于利用其為LED燈實現(xiàn)調(diào)光功能具有重要優(yōu)勢。由于市面上存在著大量基于三端雙向可控硅開關(guān)的低成本調(diào)光器，所以實際上LED驅(qū)動器無法保證與各種類型的調(diào)光器都兼容，特別是在很多調(diào)光器都采用最基本的設(shè)計且性能有限的情況下。為此，能源之星項目要求，LED驅(qū)動器制造商須在其網(wǎng)站上明確說明產(chǎn)品與哪些調(diào)光器兼容。

　　另一個值得一提的能源之星要求是，為排除閃爍的可能性，LED工作頻率必須高于150Hz。這意味著，為LED供電的輸出電流可能不包括兩倍于線路頻率(50或60Hz)的頻率下的大量漣波。

　　脫機應(yīng)用(如辦公室照明、公共建筑與街道照明等)越來越多采用LED照明，預(yù)計今后幾年這種狀態(tài)會持續(xù)下去。在這些應(yīng)用中，大功率LED取代了線性或大功率熒光燈(CFL)、金屬鹵化物(HID)和高壓鈉燈和白熾燈。這些應(yīng)用需要LED驅(qū)動器，其功率通常介于25～150瓦(W)之間。很多情況下，LED負載由多組包裝成數(shù)組芯片形式的高亮度白光LED組成。驅(qū)動這些負載所需的直流電流通常不低于1安培。也有交流電流驅(qū)動LED系統(tǒng)，但是我們通常認為直流系統(tǒng)能夠為LED提供更好的驅(qū)動條件。

　　多級轉(zhuǎn)換器打造LED多元調(diào)光方案

　　在LED照明器具中，須要進行電鍍絕緣處理以便防止在可以使用LED(多數(shù)情況下都會如此，除非使用了機械絕緣系統(tǒng))的地方發(fā)生電擊事件。這是因為與不須要進行絕緣處理就很安全的熒光燈支架不同，LED芯片須要連接到金屬散熱器上。為了實現(xiàn)較高的熱導(dǎo)率，必須在LED鍛模和散熱器之間安裝隔熱層，從而排除了在中間添加厚度以滿足絕緣要求的絕緣材料的可能性。因此，最佳選擇是在LED驅(qū)動器內(nèi)部實現(xiàn)絕緣，這樣就需要合適的功率變換器架構(gòu)。

　　有兩種可能，即返馳式轉(zhuǎn)換器(圖1)和多級轉(zhuǎn)換器(圖2)，后者包括PFC級、絕緣和步降級與后端電流調(diào)節(jié)級。兩者中，返馳式轉(zhuǎn)換器更常用，因為其相對簡單，并且成本較低。返馳式轉(zhuǎn)換器為眾多應(yīng)用提供了良好的解決方案，然而其具有下列局限性：功率因子校正能力有限。在寬輸入電壓范圍內(nèi)，效率有限。在兩倍交流電頻率(150Hz)的頻率下的輸出紋波可能無法輕松消除。需要其他電路方可實現(xiàn)調(diào)光功能。

圖1 返馳式變換器簡圖

圖2 多級轉(zhuǎn)換器簡圖

　　多級的設(shè)計能夠克服其中的一些問題，盡管礙于附加成本限制其在更高階的產(chǎn)品中的應(yīng)用。例如多級的設(shè)計可以在較寬的交流輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)高功率因子和低總諧波失真(THD)，從而讓同一個LED驅(qū)動器能夠在110伏特、120伏特、220伏特、240伏特或277伏特等電源下運行。

　　多級的設(shè)計亦可以在該范圍(而非峰值)內(nèi)保持高效率，并不會在特定負載點，且效率不會因條件不同而大幅降低。多級系統(tǒng)更讓設(shè)計容易降低150Hz下的輸出漣波，并且能夠更有效地幫助實現(xiàn)不同的調(diào)光方法。

　　以下將詳細探討25～150瓦應(yīng)用的、寬輸入電壓范圍、絕緣、可調(diào)光、穩(wěn)壓直流輸出、多級LED驅(qū)動器方案設(shè)計。而本例中的多級LED驅(qū)動器可以劃分為三部分：前端的PFC部分、中間絕緣與步降部分以及后端的電流調(diào)節(jié)部分。

　　實現(xiàn)高發(fā)光效率　多級LED驅(qū)動器應(yīng)運而生

　　前端部分包括一個升壓轉(zhuǎn)換器，其被配置為功率因子校正前置調(diào)節(jié)器，可以在調(diào)節(jié)成隨線路或負載變化而輸出電壓固定不變的高壓直流準(zhǔn)位。由于調(diào)節(jié)控制回路反應(yīng)很慢，需要很多個交流頻率周期方可對線路負載變化做出反應(yīng)，所以其會吸收正弦線路輸入電流。該電路一般在臨界導(dǎo)通模式(亦即轉(zhuǎn)換模式)下運行。

　　在該模式下，脈沖寬度調(diào)變(PWM)處于關(guān)斷狀態(tài)，因此操作頻率可變，以至于在新切換周期時儲存在升壓電感器內(nèi)的所有能量都被轉(zhuǎn)移到輸出端時。該諧振操作模式得到了廣泛使用，并且由于具有最低的開關(guān)損耗而實現(xiàn)了高效率。最好在要求的功率范圍內(nèi)使用。中間級將高壓直流準(zhǔn)位電壓(475伏特左右，典型值)轉(zhuǎn)換為適于驅(qū)動LED負載的低壓輸出。為了安全起見，正常情況下利用低壓驅(qū)動LED負載，因此驅(qū)動電流通常不低于1安培。

　　絕緣和步降級的推薦配置是諧振半橋，其由一對相互反相驅(qū)動的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)組成。這些開關(guān)的中心點為高頻步降變壓器原線圈的一端供電，另一端則連接到直流網(wǎng)絡(luò)和零伏回路之間的電容分壓器網(wǎng)絡(luò)上。這樣，變壓器原線圈就會經(jīng)歷正、負極性振幅相等的矩形波電壓。

　　次級線圈有中心抽頭，這樣就可以利用一個雙二極管整流器將輸出再轉(zhuǎn)換為直流。在輸出電流足夠高的地方，整流二極管可以被用作同步整流系統(tǒng)的MOSFET所取代。

　　在工作電流為3安培的典型應(yīng)用中，測得同步MOSFET的表面溫度為30℃，低于采用同種封裝的蕭特基二極管。可以看出，隨著電流要求的提高，同步整流的散熱優(yōu)勢就變得很重要。最后，需要平滑電容器來產(chǎn)生低紋波絕緣直流電壓。電容約為幾十微法，因此可以使用陶瓷電容器。

　　為了讓半橋級能夠有效運行，其應(yīng)該設(shè)計成在諧振模式下運行，這樣MOSFET就會發(fā)生在零電壓(ZVS)時切換。只須保證滿足下列兩個條件就可以實現(xiàn)：一個MOSFET切換、與另一個對等的MOSFET組件接通之間有較短的延遲，和中點處的電壓在該延遲期間從一端轉(zhuǎn)換到了另一端上，進而釋放存儲在電感器內(nèi)的能量透過MOSFET的二極管導(dǎo)通，這種情況就發(fā)生了。變壓器的原線圈必須具有足夠的漏電感方可儲存足夠能量以進行整流。

　　而為避免變壓器設(shè)計復(fù)雜化，可透過使用不會為設(shè)計增加漏電感的標(biāo)準(zhǔn)高頻變壓器設(shè)計，以及單獨為原線圈并聯(lián)一個電感器以便簡化整流。設(shè)計師還可以用這個電感器幫助基于三端交流硅控開關(guān)的調(diào)光器實現(xiàn)調(diào)光操作，從而為額外成本和空間提供正當(dāng)理由。而為簡化能量儲存，這種電感器可以采用有隙鐵心，也可以采用開口鐵心。