解析如何為白光LED驅(qū)動選擇最好的拓撲

　　白熾燈時代即將和我們告別了。整個20世紀，愛迪生發(fā)明的白熾燈經(jīng)受住了時間的考驗，成為標準的通用照明工具。但新的照明技術(shù)－尤其是發(fā)光二極管（LED）－必將最終代替白熾燈和熒光燈。

　　當(dāng)整個世界都在因為日益上升的能源成本而節(jié)省能源預(yù)算時，白熾燈照明技術(shù)顯然站在了錯誤的一邊。一個白熾燈消耗的能源中有97％被浪費。熒光燈雖然稍好一些，但仍然浪費了85％的能量。而且，這兩種燈的平均使用壽命都只有大約5000個小時。另外，熒光燈還使用了有毒的汞，發(fā)出的光更是顏色粗糙。這兩種技術(shù)都無法和白光LED相比－它不僅使用壽命是前者的10倍，也不使用有毒物質(zhì)，而且?guī)缀跄馨l(fā)出任何顏色的光。更重要的是，它的光轉(zhuǎn)換效率絕不亞于熒光燈。

表格1：各種照明技術(shù)對比

　　因此，在通用照明應(yīng)用領(lǐng)域，向LED技術(shù)的過渡將大大降低能源消耗。美國能源部最近一項研究預(yù)測指出，到2025年，廣泛推廣的白光LED將為全球節(jié)省10％的電能，節(jié)約資金達到1000億美元。美國圣地亞國家實驗室表示，這樣的能源節(jié)省意味著全球的發(fā)電廠每年排放的二氧化碳要減少3.5億噸。政府領(lǐng)導(dǎo)人都開始注意到了這一點。比如，最近澳大利亞就宣布了一項法令終止使用低效率白熾燈，作為其減少溫室氣體排放并降低家庭能源支出計劃的一部分。

　　盡管白光LED是當(dāng)今的大規(guī)模照明的一個理想方案，但若要把驅(qū)動LED的電子設(shè)備普及到每一個燈泡中，設(shè)計者還面臨著不小的挑戰(zhàn)。首先，空間的限制要求LED驅(qū)動器必須小巧且高效。同時還要考慮散熱因素，它對于照明設(shè)備的可靠性有重要影響，給設(shè)計密度帶來了限制。最后，設(shè)計者還必須認真考慮其產(chǎn)品的EMI影響。

　　由于用戶無法獲得驅(qū)動設(shè)備，設(shè)計者可以在低功率（≤3 W）照明領(lǐng)域采用基于非隔離式商業(yè)成品型(COTS)感應(yīng)器的降壓和降壓/升壓開關(guān)模式電源（SMPS）轉(zhuǎn)換器。這兩種電路都不需要變壓器，并且具有很多其它優(yōu)點。本文就將對這兩種拓撲進行對比，并討論每個拓撲的折衷。

　　2個拓撲

　　圖1展示了1個被配置成1個基本降壓轉(zhuǎn)換器（1a）和1個基本降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的LinkSwitch-TN。LinkSwitch-TN在1張單片IC上集成了1個功率MOSFET、振蕩器、簡單開/關(guān)控制方案、1個高電壓開關(guān)電流源、頻率抖動、逐周限流和熱關(guān)斷電路，從而簡化了轉(zhuǎn)換器設(shè)計，并減少了組件數(shù)量。它是通過DRAIN管腳實現(xiàn)自供電的，因此不需要偏置電源及相關(guān)電路。作為一個用于在360mA范圍以下代替線性和電容型非隔離式電源的低成本高效型方案，LinkSwitch-TN具有一流的線性調(diào)節(jié)和復(fù)雜調(diào)節(jié)功能，效率比無源方案要高，而功率因素則高于電容型方案。

圖1：LinkSwitch-TN作為a) 1個降壓轉(zhuǎn)換器和 b) 1個降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的基本配置

　　圖1a中所示的降壓轉(zhuǎn)換器有很多優(yōu)點。首先，它使對應(yīng)某個選定的LinkSwitch-TN設(shè)備和感應(yīng)器數(shù)值的輸出功率最大化。它還降低了電源開關(guān)和續(xù)流二極管上的電壓應(yīng)力。另外，該降壓轉(zhuǎn)換器中流過輸出感應(yīng)器的平均電流稍低于降壓/升壓轉(zhuǎn)換器中流過輸出感應(yīng)器的平均電流。

　　降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的配置比起降壓轉(zhuǎn)換器有一個主要優(yōu)勢：它的輸出二極管是和負載串聯(lián)的。在降壓轉(zhuǎn)換器中，如果MOSFET短路，輸入會直接和輸出相連。而如果在降壓/升壓轉(zhuǎn)換器發(fā)生MOSFET短路，反向偏置輸出二極管會堵住輸入和輸出之間的通道。

　　在這兩個轉(zhuǎn)換器中，交流輸入都是由D1、D2、C1、C2、RF1和RF2整流并過濾。2個二極管增強了耐線電涌性能和傳到EMI。設(shè)計者必須在RF1上采用1個熔斷防火電阻，但在RF2上則只需采用1個防火電阻。Linkswitch-TN中的開/關(guān)控制是用來調(diào)整輸出電流的。一旦進入回饋管腳的電流超過了49 μA，MOSFET開關(guān)就會失效，以準備下一個開關(guān)周期。

　　將熱量最小化

　　熱管理是LED驅(qū)動器設(shè)計者面臨的一個主要挑戰(zhàn)。盡管LED的效率比白熾燈要高，在3W時它的電路還是會達到一個足以危機設(shè)備完整性的溫度等級。而且，若要將驅(qū)動設(shè)備集成到一個標準的GU10燈座中，對散熱會造成很大的困難。此時，唯一的散熱方法就是將熱量傳導(dǎo)到燈的底座。在上文所談到的方案中，LinkSwitch-TN可以添加一個熱關(guān)斷電路，在內(nèi)核溫度超過142℃時關(guān)閉功率MOSFET，從而保護LED不受損壞。一旦內(nèi)核溫度降低了75℃時，MOSFET就能自動重啟。

　　降壓/升壓拓撲的效率比降壓拓撲要稍微低一些，因為電源并不會在每次MOSFET開關(guān)開啟時都傳輸?shù)捷敵鎏帯Ｒ虼?，它產(chǎn)生的熱量也相對較多，但二者相差并不大。

表2：作為輸入電壓函數(shù)的源管腳溫度

　　為了確保電路拓撲能夠滿足熱調(diào)節(jié)要求，Power Integrations公司的設(shè)計者將一個電源組裝部件安裝到槽座里，然后測量LNK306DN上（Linkswitch-TN產(chǎn)品系列之一）源管腳的溫度。LNK306DN是用來將負載電流調(diào)整到330mA，以驅(qū)動3個串聯(lián)的LED。它的輸入是85 " 265 VAC的通用輸入范圍。

　　理想狀態(tài)下，管腳電源溫度是不能超過100℃的。但是，正如上面圖表所示，在25℃的室溫環(huán)境下，源管腳溫度會隨著Vin的上升而急劇升高，并在Vin達到265 VAC時超過100℃。因此，設(shè)計者需要進行額外的散熱，比如在U1 SO-8C封裝的頂端添加散熱片，才能滿足熱管理要求。

　　控制EMI

　　LED驅(qū)動電路必須符合關(guān)于傳導(dǎo)EMI的EN55022B/CISPR22B標準?？紤]到開關(guān)IC的高開關(guān)頻率以及GU10燈座的有限尺寸，這些要求又給設(shè)計者帶來了另一個很大的難題。降壓/升壓電路拓撲中的EMI噪音電流回路從MOSFET開始延伸到輸出二極管、輸出電容器并返回輸入電容器，而降壓拓撲中的EMI噪音電流回路是從MOSFET開始穿過續(xù)流二極管并返回到輸入電容器，前者比后者要長。因此，在降壓/升壓設(shè)計中降噪就相對更難一些。

圖2：LED濾波器和電路板

　　為了符合工業(yè)EMI規(guī)格，Power Integration的工程師將驅(qū)動設(shè)備分成了兩個板：第1個是位于頂端的轉(zhuǎn)換板，另1個是位于底部的輸入整流/EMI濾波器板。接著，他們在兩個板之間放置了1個法拉第屏蔽板。該屏蔽板和轉(zhuǎn)換器板相連，包含了1張單面鍍銅PCB，該PCB另一端位于底部的輸入整流/EMI濾波器板上。采用這一設(shè)計來驅(qū)動3個LED時，輸入電壓為230VAC的情況下傳導(dǎo)EMI比工業(yè)EMI標準要求低了大約7 dBμV。

圖3：EMI結(jié)果（轉(zhuǎn)換器板）

　　從成本的角度來考慮，這兩個拓撲有著相似的優(yōu)點。一個典型設(shè)計方案一般只需要大約25個組件，而且能夠使用低成本的現(xiàn)成的感應(yīng)器，而不需要定制的變壓器。

　　在電流感應(yīng)反饋回路的設(shè)計上有一個很重要的區(qū)別。電