高壓、高亮度LED驅動(dòng)設計

由于現在各國都在不斷減少白熾燈泡的使用而且各大公司也都意識到轉向使用一些替代照明方法可以實(shí)現節能，而這其中發(fā)光二極管 (LED) 和緊湊型熒光燈 (CFL) 便是主要的選擇，因此對于低成本、低環(huán)境影響照明解決方案的需求比以往任何時(shí)候都要強烈。雖然差異明顯，但上述兩種替代照明方法都較為可行。CFL 照明的主要缺點(diǎn)是較長(cháng)的啟動(dòng)時(shí)間和較低的亮度調節性能，但相比 LED 解決方案其成本極低。另一方面，LED 具有“快速開(kāi)啟”特性且亮度調節性能較好，但因成本問(wèn)題普及較慢。半導體廠(chǎng)商們不斷制造新的 LED 驅動(dòng)器組件，旨在降低系統復雜度和成本。同時(shí)，LED 廠(chǎng)商不斷提升高亮度 LED 的功效(發(fā)光效率)，目的是減少要求 LED 數目，以及降低調節它們所需的功耗。

這種創(chuàng )新之一是使用高壓、高亮度 (HVHB) LED。這些 LED 要求更高的電壓來(lái)啟動(dòng)電流，從而開(kāi)始發(fā)光。這些新型 LED 面臨著(zhù)許多新的挑戰，同時(shí)也帶來(lái)了許多新的機遇。盡管一開(kāi)始只是為直接通過(guò) AC 線(xiàn)自驅動(dòng)而設計，但諸如低效率、低功率因數和不可調節等因素限制了它們的應用數量。

從圖1，我們可以看到直接通過(guò) AC 線(xiàn)驅動(dòng)這些 LED 存在許多問(wèn)題。為了滿(mǎn)足整個(gè)電壓范圍要求(90-135 Vac 或者 207-253 Vac)，正向壓降 (Vf) 必須為最低 AC 電壓或者更低。這就意味著(zhù)電壓位于量程上限時(shí)，限流電阻器電壓下降。這樣便產(chǎn)生損耗，極大地降低了效率。它還會(huì )產(chǎn)生熱，從而限制 LED 的使用壽命。

現在，讓我們來(lái)看圖1 所示開(kāi)啟時(shí)間。由于 LED 僅在達到或者超出 Vf 時(shí)導通，因此僅有峰值電壓用于發(fā)光。如此小的總 AC 時(shí)間百分比時(shí)，功率因數會(huì )非常的低(遠低于美國、歐洲和印度要求的額定值，讓它們無(wú)法用于這些國家的住宅和商業(yè)照明應用)。這就是說(shuō)，如果要滿(mǎn)足這些 LED 的峰值功率需求的話(huà)，電力公司需要提供超出正常工作所要求的電量。最后，由于大多數調光器(TRIAC 或電子類(lèi)產(chǎn)品)都是通過(guò)對提供給燈的 AC 波形進(jìn)行限幅處理來(lái)工作的，因此僅在燈導通的短暫時(shí)間內進(jìn)行亮度調節。這就意味著(zhù)，亮度調節范圍的 90% 以上時(shí)，燈可以為全部開(kāi)啟，也可以為全部關(guān)閉。

圖1無(wú)驅動(dòng)器的HVHB LED 特性

綜上所述，相比其低壓版本，HVHB LED 擁有許多優(yōu)點(diǎn)。從驅動(dòng)器的角度來(lái)說(shuō)，通過(guò)一個(gè)升壓功率因數校正 (PFC) 電源就可以將它們較好地直接驅動(dòng)(請參見(jiàn)圖 2)。這種拓撲結構通過(guò)將電流消耗與 AC 電壓波形匹配來(lái)控制提供給負載的電量，從而確保了較好的功率因數(一般為 .97 或者更好)。使用這種 PFC，其很容易便超出了 .7 或 .9 的管理機構規定，而在美國、歐洲和印度銷(xiāo)售商業(yè)和住宅照明燈具時(shí)必須要遵守這一規定。提高輸入電壓的另一個(gè)好處是能夠獲得足夠高的電壓，以便可以使用某種電源設計(無(wú)論輸入電壓大小)。所以，可以實(shí)現一種通用輸入 LED 燈 (90-253 Vac)。過(guò)去，通用輸入也存在一些折中和妥協(xié)。同時(shí)滿(mǎn)足 120 Vac 和 220 Vac 應用要求的設計具有一種產(chǎn)品設計、一次制造和一種采購項目的好處。但是，要實(shí)現這些，您必須讓設計能夠處理高于 110 Vac 運行需要的電壓，以及高于高壓應用需要的更大電流。相比針對每個(gè)電壓范圍的優(yōu)化解決方案，這就相當于更高的材料清單 (BOM) 成本和更大的組件。

高壓還意味著(zhù)給定輸出功率的低電流。例如，要構建一個(gè) 380 Vdc 總 Vf 的 16W LED 光源(使用 4 個(gè)串聯(lián)/并聯(lián) 4W LED)，要求電流僅為 42 mA。這種低電流意味著(zhù)更小的存儲電容，從而允許使用長(cháng)壽命低成本的陶瓷電容器。使用這種電容器可以增加整體光源的壽命，因為它不需要電解質(zhì)電容器。典型的“長(cháng)壽命”電解質(zhì)電容標稱(chēng)使用壽命為 20000 小時(shí)，但在過(guò)熱情況下會(huì )急劇縮短，而 LED 擁有長(cháng)達 50000 小時(shí)的壽命。在諸如路燈、頂棚照明以及其他高環(huán)境溫度照明應用中，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

從效率方面來(lái)看，開(kāi)關(guān)模式 LED 驅動(dòng)器的主要損耗組件是 LED 本身：開(kāi)關(guān)電源(IC)、驅動(dòng) FET 和整流器。讓開(kāi)關(guān)頻率維持在一個(gè)合理的頻率(例如：150 KHz)可以最小化 FET 的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)整流器中低電流就意味著(zhù)低功耗。90% 以上的效率是可以達到的，其在整個(gè) VIN 范圍僅稍有不同。

通過(guò)下列幾種方法可以達到功率因數校正：

1)有源法：利用一個(gè)具有內置算法的 IC，讓電流消耗與輸入電壓匹配;

2)填谷法：要求路由二極管和存儲電容在 AC 輸入處在過(guò)渡階段時(shí)提供電流;

3)自然法：一般為間斷運行反向結構的一個(gè)開(kāi)關(guān)式電源即 SMPS。

由于要求低壽命的電解質(zhì)，填谷法限制了驅動(dòng)器的壽命。反向運行要求一個(gè)變壓器，從而使成本增加，并且會(huì )形成較多的電磁干擾 (EMI) 輻射(通過(guò)變壓器的磁通損耗)以及導通系數(通過(guò)間斷運行引起的高壓和電流峰值，以及等于 VIN + VOUT的反射電壓。)

圖2使用一個(gè)有源PFC 器件的簡(jiǎn)單升壓設計

將相同方法用于驅動(dòng)低壓 LED，意味著(zhù)您必須首先升高 PFC 的輸入電壓，然后將該電壓降至 LED 串的 Vf 壓降。這樣便增加了驅動(dòng)器的復雜度和成本，且通常還要增加整個(gè)功率級來(lái)將高 PFC 電壓轉換為 LED 電流。一種更常見(jiàn)的低壓 LED 驅動(dòng)方法是在間斷模式下運行的反向拓撲中使用電源(請參見(jiàn)圖3)。變壓器的匝數比有助于橋接 VIN 和 Vf 之間的電壓差。這種拓撲的缺點(diǎn)是復雜性(以及與之相關(guān)的高成本)，無(wú)法接受通用 AC 輸入，高 EMI 導通系數以及輻射(由反射電壓和變壓器磁通損耗引起)。另外，在沒(méi)有大容量電容的情況下進(jìn)行設計會(huì )更加困難。高壓大容量電容一般為電解質(zhì)型，且壽命有限，特別是在高熱環(huán)境下。另外，更低電壓會(huì )形成更高的電流，從而使溫度升高，增大電源路徑組件尺寸，同時(shí)也限制了選定 LED 的輸出。

圖3基于低壓變壓器的LED 驅動(dòng)器

LED 照明的一個(gè)重要屬性是能夠使用現有亮度調節解決方案進(jìn)行亮度調節(主要是基于 TRIAC)。這種在整個(gè) TRIAC 范圍進(jìn)行亮度調節的能力也就是較好驅動(dòng) LED 和較差或者自驅動(dòng) LED 之間的差別，而 CFL 方法也是這樣一種情況。必須注意避免閃爍(TRIAC 失敗)，并提供足夠的亮度調節負載，以讓調節器維持在導通模式下。若想要降低 60 Hz 波形對 LED驅動(dòng)電壓的影響，并限制傳導 EMI 傳回輸入波形(其會(huì )違反 FCC 規范)，必需對 AC 線(xiàn)路進(jìn)行濾波處理。

在 TRIAC 調節和將調節結果轉換成等效電壓或者電流期間“解碼”AC 簽名，而其可以被直接插入到電源中，也可以被轉換成脈寬調制 (PWM) 信號來(lái)根據調節百分比對 LED“開(kāi)啟”時(shí)間進(jìn)行調節，這樣便實(shí)現了亮度調節。

進(jìn)行亮度調節時(shí)需要做出許多折中。在驅動(dòng)器反饋路徑中注入模擬電壓或者電流是最為高成本的一種方法，其要求最小附加電路。但是，它也有一些缺點(diǎn)。PWM SMPS 中可能會(huì )犧牲環(huán)路穩定性，并且在電壓瞬態(tài)期間會(huì )出現振蕩或者振鈴。這種現象會(huì )以 LED 光線(xiàn)輸出閃爍的形式出現。另一個(gè)缺點(diǎn)是模擬調節減少了 LED 的電流，從而引起調節范圍的顏色改變。例如，全電流下的藍白色 LED 在低電流時(shí)可能會(huì )變得更像黃白色。

利用數字亮度調節(例如：PWM) 可以通過(guò)一個(gè)并聯(lián) FET 使其“短路”來(lái)開(kāi)關(guān)LED 串，也可以通過(guò)將一個(gè) FET 與電流檢測電阻器并聯(lián)來(lái)讓 LED 串同接地斷開(kāi)。使用這種方法，電流便可保持恒定流過(guò) LED，但是點(diǎn)亮一段時(shí)間后會(huì )變暗。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是顏色在整個(gè)調節范圍內都不會(huì )發(fā)生變化。

如 Everlight HiVo 系列的 LED 具有可適應 110Vac 和 220 Vac 電壓的 Vf 范圍。使用兩個(gè)串聯(lián) 220Vac 可確保有源 PFC 升壓設計適應所有輸入電壓(90-277 Vac)。將它們串聯(lián)或者并聯(lián)都可以提供覆蓋許多電源和電壓配置的靈活性。

總結

總之，以 PFC 升壓配置結構驅動(dòng)時(shí)，HVHB LED 具有小尺寸、高 PFC、高效率、低成本和低復雜度的優(yōu)點(diǎn)。所有這些優(yōu)點(diǎn)為今天市售的一些 CFL 照明解決方案提供了一種極具競爭力和引人注目的解決方案。