考慮PFC相位控制調光　多級LED驅動(dòng)器脫穎而出

　　目前設計一般的基本發(fā)光二極管(LED)驅動(dòng)器照明應用相對較簡(jiǎn)單，但是如果還需要其他功能如相位控制調光和功率因子校正(PFC)，設計就變得復雜。無(wú)功率因子校正功能的非調光LED驅動(dòng)器通常包含一個(gè)脫機式開(kāi)關(guān)電源，用于在恒定電流下調節輸出。

　　這與標準脫機式開(kāi)關(guān)電源如交流對直流(AC/DC)適配器內常用的類(lèi)型，差別不大。這類(lèi)設計基于標準交換式電源供應器(SMPS)電路拓撲，如降壓、升壓和逆向變換器。

　　新標準驅策LED調光技術(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驅動(dòng)器的功率因子必須高于0.7。工業(yè)應用要求預計高于0.9。目前，市面上的很多產(chǎn)品均無(wú)法滿(mǎn)足這些要求，因此將來(lái)勢必須要更先進(jìn)的設計。有兩種基本功率因子校正方法：低成本的無(wú)源功率因子校正(被動(dòng)式PFC)和有源功率因素校正(主動(dòng)式PFC)。前者較簡(jiǎn)單，后者較復雜，但這兩種方法均要求在轉換器的前端安裝其他電路。

　　在深入探討這些方法之前，應該提到的是，為了達到能源之星的標準，LED驅動(dòng)器還必須具有調光功能。

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

　　另一個(gè)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(zhù)，為L(cháng)ED供電的輸出電流可能不包括兩倍于線(xiàn)路頻率(50或60Hz)的頻率下的大量漣波。

　　脫機應用(如辦公室照明、公共建筑與街道照明等)越來(lái)越多采用LED照明，預計今后幾年這種狀態(tài)會(huì )持續下去。在這些應用中，大功率LED取代了線(xiàn)性或大功率熒光燈(CFL)、金屬鹵化物(HID)和高壓鈉燈和白熾燈。這些應用需要LED驅動(dòng)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組芯片形式的高亮度白光LED組成。驅動(dòng)這些負載所需的直流電流通常不低于1安培。也有交流電流驅動(dòng)LED系統，但是我們通常認為直流系統能夠為L(cháng)ED提供更好的驅動(dòng)條件。

　　多級轉換器打造LED多元調光方案

　　在LED照明器具中，須要進(jìn)行電鍍絕緣處理以便防止在可以使用LED(多數情況下都會(huì )如此，除非使用了機械絕緣系統)的地方發(fā)生電擊事件。這是因為與不須要進(jìn)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(shí)現較高的熱導率，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(mǎn)足絕緣要求的絕緣材料的可能性。因此，最佳選擇是在LED驅動(dòng)器內部實(shí)現絕緣，這樣就需要合適的功率變換器架構。

　　有兩種可能，即返馳式轉換器(圖1)和多級轉換器(圖2)，后者包括PFC級、絕緣和步降級與后端電流調節級。兩者中，返馳式轉換器更常用，因為其相對簡(jiǎn)單，并且成本較低。返馳式轉換器為眾多應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，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(wú)法輕松消除。需要其他電路方可實(shí)現調光功能。

圖1 返馳式變換器簡(jiǎn)圖

圖2 多級轉換器簡(jiǎn)圖

　　多級的設計能夠克服其中的一些問(wèn)題，盡管礙于附加成本限制其在更高階的產(chǎn)品中的應用。例如多級的設計可以在較寬的交流輸入電壓范圍內實(shí)現高功率因子和低總諧波失真(THD)，從而讓同一個(gè)LED驅動(dòng)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。

　　多級的設計亦可以在該范圍(而非峰值)內保持高效率，并不會(huì )在特定負載點(diǎn)，且效率不會(huì )因條件不同而大幅降低。多級系統更讓設計容易降低150Hz下的輸出漣波，并且能夠更有效地幫助實(shí)現不同的調光方法。

　　以下將詳細探討25～150瓦應用的、寬輸入電壓范圍、絕緣、可調光、穩壓直流輸出、多級LED驅動(dòng)器方案設計。而本例中的多級LED驅動(dòng)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節部分。

　　實(shí)現高發(fā)光效率　多級LED驅動(dòng)器應運而生

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

　　在該模式下，脈沖寬度調變(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(shí)儲存在升壓電感器內的所有能量都被轉移到輸出端時(shí)。該諧振操作模式得到了廣泛使用，并且由于具有最低的開(kāi)關(guān)損耗而實(shí)現了高效率。最好在要求的功率范圍內使用。中間級將高壓直流準位電壓(475伏特左右，典型值)轉換為適于驅動(dòng)LED負載的低壓輸出。為了安全起見(jiàn)，正常情況下利用低壓驅動(dòng)LED負載，因此驅動(dòng)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動(dòng)的金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)開(kāi)關(guān)組成。這些開(kāi)關(guān)的中心點(diǎn)為高頻步降變壓器原線(xiàn)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(xiàn)圈就會(huì )經(jīng)歷正、負極性振幅相等的矩形波電壓。

　　次級線(xiàn)圈有中心抽頭，這樣就可以利用一個(gè)雙二極管整流器將輸出再轉換為直流。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的MOSFET所取代。

　　在工作電流為3安培的典型應用中，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?？梢钥闯?，隨著(zhù)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(lái)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，其應該設計成在諧振模式下運行，這樣MOSFET就會(huì )發(fā)生在零電壓(ZVS)時(shí)切換。只須保證滿(mǎn)足下列兩個(gè)條件就可以實(shí)現：一個(gè)MOSFET切換、與另一個(gè)對等的MOSFET組件接通之間有較短的延遲，和中點(diǎn)處的電壓在該延遲期間從一端轉換到了另一端上，進(jìn)而釋放存儲在電感器內的能量透過(guò)MOSFET的二極管導通，這種情況就發(fā)生了。變壓器的原線(xiàn)圈必須具有足夠的漏電感方可儲存足夠能量以進(jìn)行整流。

　　而為避免變壓器設計復雜化，可透過(guò)使用不會(huì )為設計增加漏電感的標準高頻變壓器設計，以及單獨為原線(xiàn)圈并聯(lián)一個(gè)電感器以便簡(jiǎn)化整流。設計師還可以用這個(gè)電感器幫助基于三端交流硅控開(kāi)關(guān)的調光器實(shí)現調光操作，從而為額外成本和空間提供正當理由。而為簡(jiǎn)化能量?jì)Υ?，這種電感器可以采用有隙鐵心，也可以采用開(kāi)口鐵心。