LED驅動(dòng)器借助改良降壓拓撲電路提升燈泡功率因數

各國對LED燈泡的功率因數要求日趨嚴格，讓LED驅動(dòng)電路設計挑戰與日俱增，因此半導體業(yè)者藉由改良降壓拓撲結構，開(kāi)發(fā)出可兼顧小體積、高能效與高功率因數要求的新一代LED驅動(dòng)方案，有助開(kāi)發(fā)人員設計出功率因數達0.9以上的LED燈泡。

隨著(zhù)白熾燈泡逐步被淘汰，節能螢光燈(CFL)和發(fā)光二極體(LED)將成為提供顯著(zhù)節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(lái)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。

大多數常見(jiàn)CFL燈泡中的電子安定器為電容型，典型功率因數(PF)為0.5~0.6。這表示雖然住戶(hù)僅為燈泡所標示的功率付款，但電力公司實(shí)際上必須產(chǎn)生成比例的伏-安(Volt-amp)電量，故功率因數為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-安數的 50%。

也因此，美國能源之星(Energy Star)規定功率大于5瓦的LED燈泡最低功率因數須為0.7，而諸如嵌燈及聚光燈等商用LED燈具的最低功率因數須達0.9。放眼全球，美國對LED燈泡的功率因數要求并非最為嚴格;最嚴格的當屬韓國，該國要求所有輸入功率超過(guò)5瓦的燈光的最低功率因數須達0.9，此要求將為設計LED驅動(dòng)電路的設計人員帶來(lái)挑戰，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。

導入降壓拓撲結構電路　LED燈泡PF大躍進(jìn)

白熾燈泡只為某個(gè)特定線(xiàn)路的電壓而設計;但設計師不須要考慮如何使一個(gè)通用設計的LED燈泡風(fēng)行全球。此外，LED燈泡內的電源不須要與負載電氣隔離，因其整合在單個(gè)殼體(Housing)中;但仍須注意機構的設計，必須以物理方法符合安全要求?？紤]到這點(diǎn)，設計人員就不再須要倚賴(lài)隔離返馳拓撲結構，做為唯一的電源轉換架構選擇。

在特定邊界條件下，可以?xún)?yōu)化降壓拓撲結構來(lái)提供良好的功率因數。要提供高功率因數，輸入電流要與線(xiàn)路一致，且隨著(zhù)整流線(xiàn)路電壓增加而正比例地增長(cháng)。降壓拓撲結構的缺點(diǎn)是輸入電壓Vin大于輸出電壓Vout后，才有電流流動(dòng)，因此LED串電壓與線(xiàn)路電壓相比必須較低。在大多數情況下，這不成問(wèn)題，因為與線(xiàn)路電壓相比，串聯(lián)LED的數量相對較少，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%。

高功率因數升壓轉換器的一種控制方法是固定導通時(shí)間控制，這種控制模式下，電感、電流到達零時(shí)，將重新開(kāi)始一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。為了控制功率，設計人員須使用回饋來(lái)調節導通時(shí)間，并可運用相同的概念來(lái)實(shí)現降壓拓撲結構。于固定導通時(shí)間情況下，流過(guò)電感/開(kāi)關(guān)的電流與線(xiàn)路以正比例上升，從而提供接近完美的功率因數，其中的折衷是開(kāi)關(guān)周期頂部的峰值電流可能極大。燈泡應用中并不要求極佳的功率因數;因此，如果開(kāi)關(guān)周期中的某一部分峰值電流被限制，就可以降低開(kāi)關(guān)及電感的損耗，提供更高的轉換能效并限制電感尺寸。這方法產(chǎn)生的典型線(xiàn)路電流波形并不能如圖1所示那樣極貼近正弦曲線(xiàn)。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，但折衷則是失真增加。

提升燈泡PF　LED控制器扮要角

為了應用這種固定導通時(shí)間/峰值電流混合機制，半導體業(yè)者開(kāi)發(fā)出NCL30002控制器(圖2)。

由該控制器電路圖可觀(guān)察到LED參照高壓軌;而電源開(kāi)關(guān)則參照地面，此稱(chēng)為反向降壓。其可簡(jiǎn)化架構，主因系可直接感測峰值LED電流，并驅動(dòng)單結型場(chǎng)效應電晶體(FET)，毋須使用位準轉換器。

在控制器啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，驅動(dòng)器從電感上的輔助線(xiàn)圈偏置，因而增添一個(gè)功能，可以感測到電感、電流降至零時(shí)，提示新的開(kāi)關(guān)周期應當展開(kāi)。精密的485毫伏特 (mV)電壓(典型精度±2%)用于對流過(guò)開(kāi)關(guān)的峰值電流進(jìn)行穩流。當Vin超過(guò)LED Vf后，固定導通時(shí)間控制用于調節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(xiàn)路電壓于額定電壓變化下控制所提供的功率，故使用線(xiàn)路前饋補償來(lái)調制導通時(shí)間。

在此制作一個(gè)18瓦LED驅動(dòng)電路示例，它適合被結合在替代75瓦A型燈泡的LED燈泡中，以750毫安培電流驅動(dòng)一串共八顆LED，輸出紋波低于±30%。圖3是這設計示例的18毫米x60毫米電路板照片;圖4可見(jiàn)典型能效高于90%，功率因數高于0.94。

如上所述，采用優(yōu)化架構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要求的設計難題。設計人員透過(guò)改變金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體 (MOSFET)及減小電感尺寸，可以調校LED燈泡基本設計，用于更低功率的應用。此點(diǎn)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光效持續提升，進(jìn)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(chǎng)接受度。