用單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器改進(jìn)蠟燭燈設(shè)計(jì)

LED燈作為標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的插入式替換燈，如今已經(jīng)成為零售商店中的主要陳列產(chǎn)品。在標(biāo)準(zhǔn)尺寸燈泡的頸部裝入LED所需的保護(hù)芯片和恒流(CC)驅(qū)動(dòng)電子元件是一項(xiàng)見(jiàn)縫插針式的工作，尤其是對(duì)于使用T8燈管或緊湊螺口燈座的照明燈來(lái)說(shuō)更是具有挑戰(zhàn)性。在此類(lèi)應(yīng)用當(dāng)中，容納驅(qū)動(dòng)電子元件的空間極其狹小，這對(duì)可使用元件的尺寸和數(shù)量都構(gòu)成了限制。空間不足還加劇了熱管理問(wèn)題，更糟糕的是，LED負(fù)載通常放置在與電源相距非常近的位置。為避免過(guò)熱和隨之造成的失效，LED驅(qū)動(dòng)器必須以盡可能高的效率進(jìn)行工作。
能效法規(guī)日益嚴(yán)格

除了提供穩(wěn)定的恒流輸出外，LED驅(qū)動(dòng)器(電源)還必須滿足日益嚴(yán)格的能效法規(guī)要求，包括功率因數(shù)和電源吸收電流的諧波失真。許多LED驅(qū)動(dòng)器解決方案都采用兩級(jí)設(shè)計(jì)方法，即在一個(gè)升壓PFC級(jí)后跟一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器(通常為反激式轉(zhuǎn)換器)。升壓PFC級(jí)通?？蓪?shí)現(xiàn)最大約95%的效率，恒流驅(qū)動(dòng)器通?？蓪?shí)現(xiàn)約90%的效率，從而整體效率達(dá)到85%。

這種方法需要用到一個(gè)電感、兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)和兩個(gè)控制器，因此有許多的元件需要裝入到狹小的燈殼內(nèi)。PFC級(jí)和反激式轉(zhuǎn)換器都執(zhí)行類(lèi)似的功能：分別導(dǎo)通和關(guān)斷電流、控制輸入電流和輸出電流波形。如果可以將兩個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作合并到一個(gè)單級(jí)，那么只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)開(kāi)關(guān)級(jí)即可，從而能夠大量減少元件并大幅提高效率(圖1)。
 

圖1：使用集成式PFC和CC轉(zhuǎn)換器的單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器。

圖2所示正是這樣一個(gè)電路——單級(jí)、集成式PFC和恒流驅(qū)動(dòng)器采用了Power Integrations(PI)公司的一款LinkSwitch-PH IC。該單片器件同時(shí)集成了一個(gè)725V的功率MOSFET和集成控制與保護(hù)電路。
 

圖2：使用LinkSwitch-PH的單級(jí)、集成式PFC和CC轉(zhuǎn)換器。

控制PFC和恒流

該控制器將專(zhuān)有的功率因數(shù)校正技術(shù)與初級(jí)側(cè)控制連續(xù)導(dǎo)通模式PWM開(kāi)關(guān)功率級(jí)相結(jié)合。通過(guò)將這種控制方法與單片功率MOSFET和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路集成到單個(gè)集成電路中，可以大幅減少LED驅(qū)動(dòng)器的元件數(shù)。

使用LinkSwitch-PH和圖2所示的電路，可以在比等效兩級(jí)方法需要少得多的元件數(shù)的電路中，使15W LED驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%以上(相當(dāng)于60W白熾燈泡)。由于輸入電流的波形直接由功率開(kāi)關(guān)控制，因此無(wú)需使用大容量輸入電容。LED驅(qū)動(dòng)器不采用大容量的電解電容，該電容在環(huán)境溫度不斷升高的LED燈中壽命較短，這會(huì)給兩級(jí)設(shè)計(jì)方案帶來(lái)諸多問(wèn)題。
低成本的非隔離式解決方案

盡管隔離反激式轉(zhuǎn)換器極其有效，但它們?cè)谛?、尺寸和成本方面卻存在一定的局限性。功率變壓器中的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)降低整體效率，而在8W轉(zhuǎn)換器中，電氣隔離間隙空間可占電路板總可用面積的15%以上。磁芯的成本也較高，因?yàn)樽儔浩鞅仨殱M足高壓隔離要求并采用較昂貴的結(jié)構(gòu)。

一種更簡(jiǎn)單且成本可能更低的設(shè)計(jì)方法(功率水平至少高達(dá)30W)，是采用非隔離式電源，將燈泡外殼用作安全隔離。這樣可以使用簡(jiǎn)單的降壓/降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器效率更高(無(wú)變壓器損耗)且使用更低成本的磁芯(電感器)。此時(shí)仍然可以采用單級(jí)、集成式PFC和CC轉(zhuǎn)換方法，使用PI的LinkSwitch-PH系列器件(已作介紹)和LinkSwitch-PL系列器件來(lái)設(shè)計(jì)該轉(zhuǎn)換器。這些器件可以配置為效率非常高的低壓輸出降壓轉(zhuǎn)換器，提供高PF和低THD，并從高集成度和簡(jiǎn)單的降壓結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于許多設(shè)計(jì)都非常有效，尤其是高輸入電壓的應(yīng)用(176VAC至264VAC)。

高效率是通過(guò)使用盡可能高的LED燈串電壓來(lái)獲得的，但是特別是在低輸入電壓(90VAC至132VAC)的應(yīng)用中，這種方法對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器有一定的局限性。如果輸出燈串電壓過(guò)高，降壓轉(zhuǎn)換器就無(wú)法提供THD足夠低的解決方案，以滿足EN61000-3-2(C/D)標(biāo)準(zhǔn)或達(dá)到20%的典型ATHD限值。低THD通過(guò)產(chǎn)生與電壓波形的正弦波非常吻合的電流波形來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸入電壓(整流正弦波)超出輸出級(jí)的電壓時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器只能使電流通過(guò)輸出級(jí)。因此，對(duì)于每個(gè)AC輸入半周期的一部分來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓從零升高時(shí)(以及當(dāng)電壓接近零時(shí))，不會(huì)進(jìn)行功率因數(shù)校正且THD會(huì)降低。對(duì)于高輸出電壓(在低輸入電壓應(yīng)用中可能超過(guò)35VDC),由于導(dǎo)通角非常小，轉(zhuǎn)換器無(wú)法再產(chǎn)生可滿足EN61000-3-2C/D諧波電流限值的電流波形。

對(duì)于高效率應(yīng)用中的許多非隔離式LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，可采用降壓轉(zhuǎn)換器的方法。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的一項(xiàng)固有優(yōu)勢(shì)是，它可以連續(xù)地從AC輸入吸收功率，而無(wú)論輸出電壓水平的高低，這樣可使輸入電流成近似正弦波的狀態(tài)。我們用兩個(gè)設(shè)計(jì)范例來(lái)說(shuō)明這種方法的功效和優(yōu)勢(shì)所在。第一個(gè)設(shè)計(jì)是可裝入T8燈管的長(zhǎng)燈串LED驅(qū)動(dòng)器。該電路能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)100V的LED燈串，同時(shí)其效率超過(guò)91%、功率因數(shù)大于0.9且THD超過(guò)25%。第二個(gè)設(shè)計(jì)使用最少量的元件，可裝入小型的B10燈殼。

圖3是一個(gè)采用降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的完整非隔離式25W功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器電路。它采用180~265VAC的輸入電壓，以100V的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓提供250mA恒流驅(qū)動(dòng)。
 

圖3：使用LNK409EG設(shè)計(jì)的25W降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器電路圖。

它的物理設(shè)計(jì)非常出色，如圖4和圖5所示。電路板僅19.5mm寬、10mm高。


圖4：裝配后的電路板。


圖5：安裝到T8燈管內(nèi)的LED驅(qū)動(dòng)器。