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說更是具有挑戰(zhàn)性。在此類應(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)器通常可實(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開關(guān)功率級(jí)相結(jié)合。通過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關(guān)控制，因此無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)方案帶來諸多問題。

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。這樣可以使用簡單的降壓/降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器效率更高(無變壓器損耗)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)。

高效率是通過使用盡可能高的LED燈串電壓來獲得的，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高，降壓轉(zhuǎn)換器就無法提供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通過產(chǎn)生與電壓波形的正弦波非常吻合的電流波形來實(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輸出級(jí)。因此，對(duì)于每個(gè)AC輸入半周期的一部分來說，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35VDC),由于導(dǎo)通角非常小，轉(zhuǎn)換器無法再產(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)器來說，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)勢是，它可以連續(xù)地從AC輸入吸收功率，而無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)范例來說明這種方法的功效和優(yōu)勢所在。第一個(gè)設(shè)計(jì)是可裝入T8燈管的長燈串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91%、功率因數(shù)大于0.9且THD超過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。[!--empirenews.page--]

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。

降壓-升壓電源電路由U1、輸出二極管D6、輸出電容C5和C7以及輸出電感T1和T2構(gòu)成。由于燈管內(nèi)空間受限，因而使用了兩個(gè)電感。T1和T2一起提供所需的降壓-升壓電感，T1中的偏置繞組向U1提供電源電流，并為斷接負(fù)載/過壓關(guān)斷功能提供反饋。

無電流檢測

LinkSwitch-PH無需使用電流檢測電阻與負(fù)載串聯(lián)，便可提供高精度輸出恒流控制。R7~R10、Q1、C6和D5形成一個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)，為反饋(FB)引腳提供與輸出電壓成比例的控制電流。二極管D1和C3檢測峰值A(chǔ)C線路電壓。C3上的電壓以及R3和R4設(shè)置饋入電壓監(jiān)測(V)引腳的輸入電流。U1使用該電流來控制線路欠壓(UV)、過壓(OV)和前饋電流。

LinkSwitch-PH中的內(nèi)部控制引擎綜合反饋引腳電流、電壓監(jiān)測引腳電流和漏極電流信息，在1.5:1的輸出電壓變化范圍內(nèi)(LED燈串電壓變化為±25%)，以固定的線路輸入電壓提供恒定輸出電流。恒流控制引擎可以補(bǔ)償電感容差以及輸入與輸出變化。

低EMI特性是LinkSwitch-PH的連續(xù)導(dǎo)通模式PFC功能與頻率抖動(dòng)共同作用的結(jié)果。這種EMI濾波比較簡單，尺寸小到足以裝入T8燈管的狹小空間。

蠟燭燈

第二個(gè)范例的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效率和小尺寸，使驅(qū)動(dòng)器能夠裝入蠟燭燈和B10型燈內(nèi)。

圖6所示為使用PI的LinkSwitch-PL LNK458KG設(shè)計(jì)的4.5W功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器(非隔離式降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))。LinkSwitch-PL IC與前面講到的LinkSwitch-PH器件非常相似。它們都適用于較低功率的非隔離應(yīng)用(最高功率為16W)，所采用的封裝僅有四個(gè)連接?？刂扑惴ú捎弥苯覮ED電流檢測，可以支持外圍元件最少的無閃爍TRIAC(雙向晶閘管)調(diào)光。

圖6：使用LNK458KG 設(shè)計(jì)的4.5 W降壓-升壓電源。

圖6所示的電路可以在輸入電壓為85~135VAC的情況下，提供輸出電壓范圍在42~56V的90mA恒流輸出。盡管元件數(shù)非常少，但LED驅(qū)動(dòng)器卻能在115VAC的輸入條件下，實(shí)現(xiàn)86%以上的效率，同時(shí)PF大于0.95、THD超過15%。

圖7是裝配后的電路板，該電路板僅16mm寬、28mm長。

圖7：裝配后的電路板。

設(shè)計(jì)選擇

我們做出了許多重要的設(shè)計(jì)選擇，以便盡可能地減少元件數(shù)和提高效率。設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，可以在低AC輸入電壓范圍(85~135VAC、47~63Hz)內(nèi)進(jìn)行工作。在使用中，驅(qū)動(dòng)器和LED負(fù)載被置于密閉的殼體內(nèi)。非隔離式輸出依靠殼體來為用戶提供保護(hù);當(dāng)LED輸出發(fā)生開路故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將關(guān)斷以防止出現(xiàn)過壓。

在電路的輸入端，EMI濾波由2-π濾波器網(wǎng)絡(luò)(由電容C1、C2、C3及差模扼流圈L1和L2構(gòu)成)來執(zhí)行。輸入濾波器與LinkSwitch-PL的頻率抖動(dòng)功能相結(jié)合，可使設(shè)計(jì)滿足Class B干擾限值。限定的總電容可維持高功率因數(shù)。

降壓-升壓功率轉(zhuǎn)換電路由U1(功率開關(guān)+控制)、D2(續(xù)流二極管)、C7(輸出電容)以及L3(電感)構(gòu)成。二極管D1用來防止U1的漏源極兩端出現(xiàn)負(fù)電壓，特別是在輸入電壓接近過零點(diǎn)時(shí)。旁路電容C4在功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)為器件提供內(nèi)部電源。輸出電流反饋通過R3上的壓降來檢測，然后由低通濾波器(R4和C5)進(jìn)行濾波，以維持LinkSwitch-PL的工作點(diǎn)，從而使反饋(FB)引腳在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的平均電壓為290mV。

只需通過調(diào)整R3和R5的值即可設(shè)置輸出電流工作點(diǎn)。將R3更改為12.7Ω并將R5更改為13Ω后，電路將提供96V、45mA的標(biāo)稱輸出。