如何選擇LED驅(qū)動(dòng)器最佳架構(gòu)

　　現(xiàn)今的LED照明已具備了多元化的應(yīng)用場(chǎng)合，從簡(jiǎn)單的白熾燈或冷陰極熒光燈(CCFL)替代品，到新的建筑、工業(yè)、醫(yī)療和其他應(yīng)用。為了在應(yīng)用中最佳化匹配燈和光亮，不同的LED照明應(yīng)用通常都有相對(duì)應(yīng)的性能標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　為了驅(qū)動(dòng)LED,工程師可以從琳瑯滿目的驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)中挑選，然而每一架構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)具體應(yīng)用的適應(yīng)能力有好有壞。選擇驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)時(shí)需考慮的因素有很多，其中成本占據(jù)首要位置，其次是隔離、調(diào)光、閃爍、色溫、功率因數(shù)、可靠性、熱管理等問(wèn)題。

　　基本的LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)有幾種：次級(jí)側(cè)控制、初級(jí)側(cè)控制、隔離式/非隔離式。此外，功率因數(shù)控制(PFC)也是在許多應(yīng)用中的一個(gè)主要性能考慮因素，其解決方案由帶PFC功能的兩級(jí)或單級(jí)驅(qū)動(dòng)器，或不帶PFC功能的單級(jí)驅(qū)動(dòng)器(主要用于功率低于5W的應(yīng)用)組成。因此，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器子系統(tǒng)就是一系列權(quán)衡下的結(jié)果，目的是降低物料清單(BOM)成本，實(shí)現(xiàn)最高效率，同時(shí)提供調(diào)光功能，打造一款溫度可控、具備故障保護(hù)功能的產(chǎn)品。

　　基本的驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

　　為了實(shí)現(xiàn)最佳的隔離和控制，次級(jí)側(cè)控制架構(gòu)監(jiān)測(cè)輸出電壓/電流，并通過(guò)一個(gè)光隔離通路向初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器提供反饋信號(hào)(圖1)。該反饋信號(hào)使次級(jí)側(cè)控制器能夠提供較好的電流及電壓控制精度。更簡(jiǎn)單的初級(jí)側(cè)控制方案消除了次級(jí)側(cè)控制器和光隔離信號(hào)通路，從而降低了系統(tǒng)成本，在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，縮減了系統(tǒng)尺寸。在這種方案中，初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)初級(jí)側(cè)波形分析確定輸出電流和電壓(圖1)。取決于分析的質(zhì)量，初級(jí)側(cè)控制可以做到匹敵甚至超越次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)及性能，因此是當(dāng)今隔離式LED驅(qū)動(dòng)器常用的解決方案。

　　圖1:兩種常見(jiàn)的LED驅(qū)動(dòng)器方案采用了次級(jí)側(cè)控制(上圖)和初級(jí)側(cè)控制(下圖)。次級(jí)側(cè)控制具備較好的電流及電壓控制精度，但初級(jí)側(cè)控制可減少元器件數(shù)量和系統(tǒng)尺寸，同時(shí)提高性能。

　　基本的初級(jí)側(cè)控制電路通過(guò)輸出級(jí)變壓器實(shí)現(xiàn)了隔離。但是，為了減少元器件成本，非隔離方案采用電感器替代變壓器，并能采用降壓控制器替代初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器反激電路(圖2)。在非隔離方案中，控制機(jī)制得到了簡(jiǎn)化，但為了防止輸入與輸出間短路，該電路要求更加復(fù)雜的物理隔離。目前，大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用的是隔離式架構(gòu)。在未來(lái)一兩年內(nèi)，電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的進(jìn)步將可提供更進(jìn)一步降低成本的方案。

　　圖2:初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)在輸出級(jí)使用變壓器，設(shè)計(jì)成隔離式配置;或通過(guò)使用電感器替代輸出變壓器，并選用降壓控制器替代反激電路，設(shè)計(jì)成非隔離配置。

　　功率因數(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

　　當(dāng)輸入電壓和電流同相，輸入電壓和電流波形一致時(shí)，功率因數(shù)為理想的“1”。當(dāng)輸入電壓和輸入電流波形之間的相位差增大時(shí)，功率因數(shù)將下降，系統(tǒng)效率也將降低。但是，升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置了電流波形控制功能，它能跟蹤輸入電壓波形，從而維持近乎為1的功率因數(shù)。

　　為了提高功率因數(shù)，可以在初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器電路和控制電路之前增加一個(gè)兩級(jí)功率因數(shù)校正(PFC)升壓電路(圖3)。PFC電路還消除了因2倍線路頻率而導(dǎo)致的閃爍問(wèn)題。在示例中，輸出級(jí)采用了反激轉(zhuǎn)換器，為iW3616的驅(qū)動(dòng)器電路提供隔離。該驅(qū)動(dòng)器芯片采用的初級(jí)側(cè)檢測(cè)技術(shù)，在不使用次級(jí)側(cè)反饋電路的情況下，實(shí)現(xiàn)了卓越的線路電壓和LED負(fù)載電流調(diào)節(jié)，同時(shí)消除了光隔離器反饋環(huán)路。此外，iW3616的實(shí)時(shí)周期波形分析技術(shù)還提高了調(diào)光器的設(shè)置響應(yīng)速度。數(shù)字控制環(huán)路在無(wú)需環(huán)路補(bǔ)償器件的情況下，也能保持整體工作條件的穩(wěn)定。

　　圖3:通過(guò)在iW3616數(shù)字功率控制器中增加兩級(jí)功率因數(shù)校正升壓電路，可以讓驅(qū)動(dòng)器電路實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍調(diào)光和極高的功率因數(shù)(>0.95)。

　　PFC也可以在單級(jí)初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)和控制電路中實(shí)現(xiàn)。在此類(lèi)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)調(diào)制輸入阻抗控制輸入電流波形，從而調(diào)節(jié)功率因數(shù)。

　　兩級(jí)PFC架構(gòu)在有效消除輸出紋波的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了近乎完美的PFC,因此可大幅改善LED燈中的閃爍問(wèn)題。但是，兩級(jí)升壓電路需要更多元器件，因此實(shí)現(xiàn)成本也較高。與此相比，雖然具備PFC功能的單級(jí)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)調(diào)制輸入阻抗提高了功率因數(shù)，但隨著功率因數(shù)的升高，輸出紋波(閃爍)也將增多。為了補(bǔ)償，必須通過(guò)提高外部電容值來(lái)減少閃爍。在不需要PFC調(diào)節(jié)的情況下，簡(jiǎn)單的單級(jí)初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器可采用傳統(tǒng)的反激轉(zhuǎn)換器架構(gòu)來(lái)降低成本。

　　很多應(yīng)用還要求驅(qū)動(dòng)器電路能夠?qū)诱{(diào)光器，但由于市場(chǎng)上已經(jīng)存在多種調(diào)光技術(shù)-TRIAC型前沿和后沿調(diào)光器、復(fù)雜的電子調(diào)光器，以及低壓(0V~10V)線性控制或脈寬調(diào)制亮度控制調(diào)光器(主要用于商用系統(tǒng)中)-工程師必須解決很多問(wèn)題。新型數(shù)字化解決方案能夠分析出調(diào)光器的類(lèi)型，然后運(yùn)用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的算法控制調(diào)光。此類(lèi)解決方案還能消除因短脈沖信號(hào)干擾而導(dǎo)致的閃爍。與此相比，傳統(tǒng)的TRIAC型調(diào)光器易受誤觸發(fā)的影響，并有可能產(chǎn)生不平衡的半周期輸出。

　　所有TRIAC型調(diào)光器都有最小保持電流要求，以保持TRIAC導(dǎo)通，但并非所有的LED驅(qū)動(dòng)器電路都具備調(diào)光能力。對(duì)于那些有調(diào)光能力的LED驅(qū)動(dòng)器電路，驅(qū)動(dòng)器必須載入調(diào)光器，以保持TRIAC持續(xù)導(dǎo)通。雖然較高的負(fù)載可提高調(diào)光器的兼容性，但其高負(fù)載電流將降低電路效率。為了重新提高效率，可以用一個(gè)BJT或MOSFET替代驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電阻，讓驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)校準(zhǔn)泄放電流，以確保安全工作區(qū)的精準(zhǔn)電流控制，并利用升壓/PFC電路現(xiàn)有的BJT或MOSFET降低成本。

　　方案選擇

　　由于面臨眾多選擇，工程師通常需要仔細(xì)比較，整理出LED驅(qū)動(dòng)解決方案應(yīng)該具備的最佳功能組合?；镜臎Q定因素可能首先是調(diào)光或非調(diào)光和功耗要求。之后，其他需求可能包括：有PFC或無(wú)PFC(取決于應(yīng)用)、尺寸要求(解決方案是否適合具體的空間或印刷電路板區(qū)域)、可靠性/工作壽命、可容忍的閃爍量(越低越好)。

　　為了降低BOM成本，應(yīng)考慮減少元器件數(shù)量，采用初級(jí)側(cè)控制，盡量降低EMI元器件數(shù)量，然后深入地檢查元器件成本-采用BJT而不是MOSFET用于驅(qū)動(dòng)器，縮減散熱器的尺寸和材料。在某種程度上，這些選擇也與系統(tǒng)可靠性和工作壽命有關(guān)-元器件運(yùn)行溫度越低，系統(tǒng)工作壽命就越長(zhǎng)，尤其是對(duì)于電解電容器和LED等元器件自身而言。不幸的是，工程師很少知道LED燈的具體使用情況，因此，良好的溫控設(shè)計(jì)就顯得尤其重要。如果散熱器的尺寸設(shè)計(jì)不合理，通風(fēng)不好的封閉式設(shè)備有可能導(dǎo)致熱量累積和過(guò)早失效。

　　此外，電路保護(hù)功能有助于防范熱失控、短路等重大熔斷故障-驅(qū)動(dòng)器是否內(nèi)置溫度檢測(cè)功能，或能否添加一個(gè)溫度傳感器?借助溫度傳感器，驅(qū)動(dòng)器電路能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的熱閉環(huán)-當(dāng)溫度高于最高指標(biāo)時(shí)，通過(guò)降低LED電流，從而降低功耗和溫度。在極端情況下，驅(qū)動(dòng)器還能關(guān)閉，達(dá)到保護(hù)自身的目的。很多驅(qū)動(dòng)器電路還提供了附加的故障保護(hù)功能，例如LED短路和開(kāi)路檢測(cè)、過(guò)壓保護(hù)、軟啟動(dòng)，以及電流檢測(cè)電阻短路保護(hù)。

　　所有選擇都可以歸納為幾條與功率因數(shù)和閃爍問(wèn)題有關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法則：如果功率因數(shù)和閃爍不重要的話，則使用一個(gè)不具備PFC功能的單級(jí)初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)器;如果功率因數(shù)重要的話，則使用一個(gè)具備PFC功能的單級(jí)驅(qū)動(dòng)器;但如果功率因數(shù)和閃爍都很重要的話，最佳選擇是一個(gè)具備PFC功能的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)器。

　　工程師有很多基本架構(gòu)可以選擇，通過(guò)對(duì)比它們的優(yōu)缺點(diǎn)，就能為目標(biāo)應(yīng)用挑選出最佳的驅(qū)動(dòng)器解決方案。