初級側調(diào)節(jié)提高照明效率 實現(xiàn)低成本高亮LED方案

　　為達到高亮度LED對于高可靠度、小體積、高發(fā)光效率、低耗電量及低成本的要求，業(yè)界現(xiàn)已開發(fā)出PSR控制器搭配高亮度LED驅(qū)動器方案。PSR控制器突出的恒流技術，能精確提供適當?shù)碾妷号c電流，提高LED使用壽命，此外，透過PSR高整合度方案，也可進一步縮小LED驅(qū)動器與PCB體積，因而開始在產(chǎn)業(yè)界嶄露鋒芒。

　　實現(xiàn)低功耗和高效率技術備受全球關注，由于照明應用占了全球近20%的耗電量，所以照明技術的進步，也會對能源狀況產(chǎn)生巨大的影響。發(fā)光二極管(LED)固態(tài)照明(SSL)是一種環(huán)保技術，具有出色的外形尺寸、使用壽命長、轉換效率高，且功耗比傳統(tǒng)的白熾燈低80%或90%。

　　在LED SSL中，LED驅(qū)動器扮演著重要的角色，因為要靠它來提供保持穩(wěn)定亮度所需的精確電流。不過，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動器方案采用次級回饋電路來驅(qū)動LED的電壓和電流，但次級回饋電路卻會導致成本和尺寸的增加。

本文將介紹一種初級側調(diào)節(jié)(PSR)專利技術，PSR控制器無需次級端回饋電路，即能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級側中LED驅(qū)動器的電壓和電流。它同時包含頻率抖動功能來降低電磁干擾(EMI)，以及輕載待機模式來減小待機損耗。利用該方案，PSR充電器可以實現(xiàn)比振鈴扼流圈轉換器(RCC)和傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)變(PWM)等傳統(tǒng)設計更小的外形尺寸、更低的待機功耗和更高的效率。

　　LED照明擁有諸多優(yōu)勢，但若沒有適當?shù)碾妷汉途_的電流，這些組件的壽命不僅會縮短，其功耗和熱耗也會增加，最終對LED造成無法挽回的損害?？紤]到LED與普通二極管在物理特性方面同樣擁有斜率很大的V-I曲線，因而LED的工作電壓對工作電流相當敏感，若變化很大，便會影響HB LED單元的壽命，因此LED的電流對照明非常重要。在這種情況下，對HB LED的壽命而言，帶有出色恒流技術的PSR就顯得既重要又有益。LED驅(qū)動器一般采用非隔離降壓轉換器或隔離反激式(Flyback)轉換器。

　　在傳統(tǒng)的LED控制電路中，脫機恒定輸出電流LED驅(qū)動器可使用隔離反激式轉換器配合次級側電路調(diào)節(jié)輸出電流來實現(xiàn)(圖1)。在此，LED電流通過次級側的一個感應(Sense)電阻Ro來測量，并借助光耦合器提供必須的回饋信息。光耦合器在初級側和次級側之間形成隔離，并把反饋訊號耦合到初級側的PWM控制器，為了達到更好的輸出調(diào)節(jié)，PWM控制器利用光耦合器接收次級側的反饋訊號，以決定金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)的工作周期。

　　此方案可提供精確的電流控制，但缺點是組件數(shù)目較多，意味著需要更大的電路板空間、更高的成本，且可靠性也較低。同時，感應電阻Ro還會增加功耗和降低恒流調(diào)節(jié)電源效率。近來，LED驅(qū)動器的效率和節(jié)能要求變得愈益重要，同時LED應用也需要更小的尺寸，因此傳統(tǒng)電路不再滿足相關要求。本文將介紹一種能夠減少組件數(shù)目并提高效率的初級側控制方法。

　　傳統(tǒng)次級端調(diào)節(jié)反激式LED驅(qū)動器

圖1：采用傳統(tǒng)次級端調(diào)節(jié)反激式轉換器的LED 驅(qū)動器

　　PSR技術是把脫機LED驅(qū)動器的成本降至最低的最佳解決方案，它毋須在次級側使用光耦合器，就能夠提供精確的電流控制。PSR的基本原理是采用一種創(chuàng)新性方法，利用參考線圈取代次級側的光耦合器來檢測輸出信息。圖2所示為一個采用初級側控制器的反激式轉換器的基本電路示意圖及其主要工作波形。

　　傳統(tǒng)次級端調(diào)節(jié)反激式LED驅(qū)動器

圖2：采用初級側控制器的反激式轉換器之基本電路示意圖及波形

　　當PSR控制器導通MOSFET時，變壓器電流iP將線性地從零增加到ipk，如算式(1)。在導通期間，能量儲存至變壓器中。當MOSFET關斷時(toff)，儲存在變壓器中的能量會藉由輸出整流器傳送到功率轉換器的輸出端，在此期間，輸出電壓VO和二極管的正向電壓VF被反射到參考線圈NAUX，參考線圈NAUX上的電壓可由算式(2)表示。這時可運用一種專有的取樣技術來對反射電壓進行取樣，由于輸出整流器的正向電壓變得恒定，故可獲得相關輸出電壓信息，然后，取樣得到的電壓與精確的參考電壓進行比較，形成一個電壓回路，從而確定MOSFET的導通時間，并精確調(diào)節(jié)恒定輸出電壓。

　　上述算式中，LP為變壓器初級線圈的電感；VIN為變壓器的輸入電壓；ton是MOSFET的導通時間；NAUX/NS為參考線圈與次級輸出線圈的匝數(shù)比；VO是輸出電壓；VF是輸出整流器的正向電壓。 這種采樣方案也使得變壓器的放電時間(tdis)加倍，如圖2所示，輸出電流IO與變壓器的次級側電流有關。IO還可利用ipk、tdis求得，如算式(3)所示。PSR控制器利用這個結果來確定MOSFET的導通時間，并調(diào)節(jié)恒定輸出電流。感應電阻RSENSE用來調(diào)節(jié)輸出電流的數(shù)值。

　　在此，tS是PSR控制器的開關周期；NP/NS是初級線圈和次級輸出線圈的匝數(shù)比；RSENSE為感測電阻，把變壓器的開關電流轉換為電壓VCS。

　　高整合PSR控制器方案實現(xiàn)小體積/低成本HB LED系統(tǒng)設計

　　這里使用一個HB LED驅(qū)動器來驅(qū)動三個串聯(lián)HB LED，輸出規(guī)格為12伏特/0.35安培。若采用整合一個PSR控制器和一個600伏特/1安培MOSFET的PSR控制器FSEZ1016A，將有助于減少外部組件數(shù)目、縮小印刷電路板(PCB)MOSFET驅(qū)動器電路的訊號噪聲，還能夠減少干擾。而專有的綠色模式功能可在輕載和無載條件下，提供非導通時間調(diào)制，以線性降低PWM頻率，使待機功耗最小化，從而輕松滿足大多數(shù)綠色規(guī)范的要求。此外，其內(nèi)置抖頻功能也進一步提高EMI性能。

　　實驗顯示采用此方法，恒流(CC)調(diào)節(jié)精度可達1.8%，折回(Fold-back)電壓為4伏特(圖3)，適用很大的正電壓(VDD)范圍，且CC能力與輸出電壓有關。115Vac輸入時效率為77.66%、230Vac輸入時效率為77.40%及空載時最大功率為0.115瓦。由此可見，利用FSEZ1016A便可以獲得一個外部組件最少、成本最低的照明解決方案。

圖3：使用PSR控制器的V-I曲線

　　隨著產(chǎn)業(yè)界對高能效電子產(chǎn)品開發(fā)投入更多，照明應用需要創(chuàng)新性技術來取代傳統(tǒng)白熾燈和鹵素燈。HB LED的優(yōu)勢在于尺寸小、亮度高、壽命長，而且環(huán)保。

　　這些優(yōu)勢都是推動該產(chǎn)品逐漸取代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的有利因素。為了提高HB LED的能力，控制電路必須利用恒流來實現(xiàn)LED驅(qū)動。本文介紹的PSR專利技術，只須利用PSR控制器，就能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級側中LED驅(qū)動器的電壓和電流，無需次級側反饋電路，從而實現(xiàn)尺寸更小、壽命更長和更環(huán)保的產(chǎn)品。實驗顯示PSR能夠提供1.8%的恒流調(diào)節(jié)精度。這種PSR技術是降低脫機LED驅(qū)動器成本的最佳解決方案。