高壓、高亮度LED驅(qū)動設(shè)計

由于現(xiàn)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(zhuǎn)向使用一些替代照明方法可以實現(xiàn)節(jié)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 照明的主要缺點是較長的啟動時間和較低的亮度調(diào)節(jié)性能，但相比 LED 解決方案其成本極低。另一方面，LED 具有“快速開啟”特性且亮度調(diào)節(jié)性能較好，但因成本問題普及較慢。半導(dǎo)體廠商們不斷制造新的 LED 驅(qū)動器組件，旨在降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。同時，LED 廠商不斷提升高亮度 LED 的功效(發(fā)光效率)，目的是減少要求 LED 數(shù)目，以及降低調(diào)節(jié)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 要求更高的電壓來啟動電流，從而開始發(fā)光。這些新型 LED 面臨著許多新的挑戰(zhàn)，同時也帶來了許多新的機遇。盡管一開始只是為直接通過 AC 線自驅(qū)動而設(shè)計，但諸如低效率、低功率因數(shù)和不可調(diào)節(jié)等因素限制了它們的應(yīng)用數(shù)量。

從圖1，我們可以看到直接通過 AC 線驅(qū)動這些 LED 存在許多問題。為了滿足整個電壓范圍要求(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。這就意味著電壓位于量程上限時，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。它還會產(chǎn)生熱，從而限制 LED 的使用壽命。

現(xiàn)在，讓我們來看圖1 所示開啟時間。由于 LED 僅在達到或者超出 Vf 時導(dǎo)通，因此僅有峰值電壓用于發(fā)光。如此小的總 AC 時間百分比時，功率因數(shù)會非常的低(遠低于美國、歐洲和印度要求的額定值，讓它們無法用于這些國家的住宅和商業(yè)照明應(yīng)用)。這就是說，如果要滿足這些 LED 的峰值功率需求的話，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(shù)調(diào)光器(TRIAC 或電子類產(chǎn)品)都是通過對提供給燈的 AC 波形進行限幅處理來工作的，因此僅在燈導(dǎo)通的短暫時間內(nèi)進行亮度調(diào)節(jié)。這就意味著，亮度調(diào)節(jié)范圍的 90% 以上時，燈可以為全部開啟，也可以為全部關(guān)閉。

圖1無驅(qū)動器的HVHB LED 特性

綜上所述，相比其低壓版本，HVHB LED 擁有許多優(yōu)點。從驅(qū)動器的角度來說，通過一個升壓功率因數(shù)校正 (PFC) 電源就可以將它們較好地直接驅(qū)動(請參見圖 2)。這種拓撲結(jié)構(gòu)通過將電流消耗與 AC 電壓波形匹配來控制提供給負載的電量，從而確保了較好的功率因數(shù)(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(gòu)規(guī)定，而在美國、歐洲和印度銷售商業(yè)和住宅照明燈具時必須要遵守這一規(guī)定。提高輸入電壓的另一個好處是能夠獲得足夠高的電壓，以便可以使用某種電源設(shè)計(無論輸入電壓大小)。所以，可以實現(xiàn)一種通用輸入 LED 燈 (90-253 Vac)。過去，通用輸入也存在一些折中和妥協(xié)。同時滿足 120 Vac 和 220 Vac 應(yīng)用要求的設(shè)計具有一種產(chǎn)品設(shè)計、一次制造和一種采購項目的好處。但是，要實現(xiàn)這些，您必須讓設(shè)計能夠處理高于 110 Vac 運行需要的電壓，以及高于高壓應(yīng)用需要的更大電流。相比針對每個電壓范圍的優(yōu)化解決方案，這就相當(dāng)于更高的材料清單 (BOM) 成本和更大的組件。

高壓還意味著給定輸出功率的低電流。例如，要構(gòu)建一個 380 Vdc 總 Vf 的 16W LED 光源(使用 4 個串聯(lián)/并聯(lián) 4W LED)，要求電流僅為 42 mA。這種低電流意味著更小的存儲電容，從而允許使用長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“長壽命”電解質(zhì)電容標稱使用壽命為 20000 小時，但在過熱情況下會急劇縮短，而 LED 擁有長達 50000 小時的壽命。在諸如路燈、頂棚照明以及其他高環(huán)境溫度照明應(yīng)用中，這是一個巨大的進步。

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

通過下列幾種方法可以達到功率因數(shù)校正：

1)有源法：利用一個具有內(nèi)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 輸入處在過渡階段時提供電流;

3)自然法：一般為間斷運行反向結(jié)構(gòu)的一個開關(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(qū)動器的壽命。反向運行要求一個變壓器，從而使成本增加，并且會形成較多的電磁干擾 (EMI) 輻射(通過變壓器的磁通損耗)以及導(dǎo)通系數(shù)(通過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使用一個有源PFC 器件的簡單升壓設(shè)計

將相同方法用于驅(qū)動低壓 LED，意味著您必須首先升高 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(qū)動器的復(fù)雜度和成本，且通常還要增加整個功率級來將高 PFC 電壓轉(zhuǎn)換為 LED 電流。一種更常見的低壓 LED 驅(qū)動方法是在間斷模式下運行的反向拓撲中使用電源(請參見圖3)。變壓器的匝數(shù)比有助于橋接 VIN 和 Vf 之間的電壓差。這種拓撲的缺點是復(fù)雜性(以及與之相關(guān)的高成本)，無法接受通用 AC 輸入，高 EMI 導(dǎo)通系數(shù)以及輻射(由反射電壓和變壓器磁通損耗引起)。另外，在沒有大容量電容的情況下進行設(shè)計會更加困難。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，同時也限制了選定 LED 的輸出。

圖3基于低壓變壓器的LED 驅(qū)動器

LED 照明的一個重要屬性是能夠使用現(xiàn)有亮度調(diào)節(jié)解決方案進行亮度調(diào)節(jié)(主要是基于 TRIAC)。這種在整個 TRIAC 范圍進行亮度調(diào)節(jié)的能力也就是較好驅(qū)動 LED 和較差或者自驅(qū)動 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(diào)節(jié)負載，以讓調(diào)節(jié)器維持在導(dǎo)通模式下。若想要降低 60 Hz 波形對 LED驅(qū)動電壓的影響，并限制傳導(dǎo) EMI 傳回輸入波形(其會違反 FCC 規(guī)范)，必需對 AC 線路進行濾波處理。

在 TRIAC 調(diào)節(jié)和將調(diào)節(jié)結(jié)果轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制 (PWM) 信號來根據(jù)調(diào)節(jié)百分比對 LED“開啟”時間進行調(diào)節(jié)，這樣便實現(xiàn)了亮度調(diào)節(jié)。

進行亮度調(diào)節(jié)時需要做出許多折中。在驅(qū)動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。PWM SMPS 中可能會犧牲環(huán)路穩(wěn)定性，并且在電壓瞬態(tài)期間會出現(xiàn)振蕩或者振鈴。這種現(xiàn)象會以 LED 光線輸出閃爍的形式出現(xiàn)。另一個缺點是模擬調(diào)節(jié)減少了 LED 的電流，從而引起調(diào)節(jié)范圍的顏色改變。例如，全電流下的藍白色 LED 在低電流時可能會變得更像黃白色。

利用數(shù)字亮度調(diào)節(jié)(例如：PWM) 可以通過一個并聯(lián) FET 使其“短路”來開關(guān)LED 串，也可以通過將一個 FET 與電流檢測電阻器并聯(lián)來讓 LED 串同接地斷開。使用這種方法，電流便可保持恒定流過 LED，但是點亮一段時間后會變暗。這樣做的優(yōu)點是顏色在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都不會發(fā)生變化。

如 Everlight HiVo 系列的 LED 具有可適應(yīng) 110Vac 和 220 Vac 電壓的 Vf 范圍。使用兩個串聯(lián) 220Vac 可確保有源 PFC 升壓設(shè)計適應(yīng)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(jié)

總之，以 PFC 升壓配置結(jié)構(gòu)驅(qū)動時，HVHB LED 具有小尺寸、高 PFC、高效率、低成本和低復(fù)雜度的優(yōu)點。所有這些優(yōu)點為今天市售的一些 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。