驅(qū)動(dòng)用于照明的高亮度LED

 引言

   照明領(lǐng)域中鮮有如最近出現(xiàn)的高亮度LED這樣的技術(shù)，擁有能夠改變整個(gè)行業(yè)的潛力。本文將討論使用交流市電驅(qū)動(dòng)這類LED的方法，涉及功率因數(shù)校正 (PFC)、功率MOSFET設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，以及實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模照明所需的保護(hù)功能。

   當(dāng)今美國(guó)總能耗的22%用于照明。能源的高成本一直在推動(dòng)更新、更高效照明技術(shù)的發(fā)展。隨著當(dāng)今高亮度和超高亮度發(fā)光二極管 (LED) 的流明/瓦特比的提高，人們已看到大幅降低照明能耗的希望。LED自問(wèn)世起就充當(dāng)各種低亮度產(chǎn)品中白熾燈或熒光燈的一種替代產(chǎn)品，用于這類半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)電路中。
由于高亮度LED的光輸出強(qiáng)度取決于流經(jīng)它的DC電流，人們廣泛采用控制多顆LED串聯(lián)PWM控制恒流輸出的方法。本文將深入討論如何使用FAN7529 (一種低價(jià)，采用流行的SO-8封裝的PFC IC) 來(lái)實(shí)現(xiàn)這種PWM方案。

FAN7529 SO-8 PFC IC的特點(diǎn)

按照法律規(guī)定，所有超過(guò)一定功率的照明電器插座都必須配置功率因數(shù)校正方案。例如，歐洲的EN61000-3-2法規(guī)要求所有25W以上的照明電路配置PFC方案。最流行的方法是一種有源PFC方案，采用了簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換模式，即工作在電感電流的非連續(xù)傳導(dǎo)模式邊界狀態(tài)下。

由于EN61000-3-2之類的法規(guī)要求，照明行業(yè)一直在有源功率因數(shù)控制的使用方面處于前列。下圖為FAN7529的原理框圖。

    圖1：FAN7529 SO-8 PFC芯片的原理框圖

     FAN7529的操作比較簡(jiǎn)單，使用誤差放大器測(cè)量IN腳的輸出分壓，并將測(cè)量結(jié)果與預(yù)設(shè)值比較。EA-OUT腳用于補(bǔ)償該放大器。

輸入電壓正弦波在MULT上測(cè)量。FAN7529將輸入電壓與輸出誤差相乘。

    CS為來(lái)自MOSFET的電流傳感輸入信號(hào)。當(dāng)乘法器輸出超過(guò)該參考電流，觸發(fā)器將觸發(fā)，使OUT置為高電平，從而導(dǎo)通MOSFET。當(dāng)Idet上檢測(cè)到一個(gè)零交信號(hào)，OUT將被置為低電平，從而關(guān)斷MOSFET。

圖2：FAN7529實(shí)現(xiàn)的PFC，典型的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)、輸入電壓和電感電流波形

    由于FAN7529及類似的低價(jià)SO-8 IC已經(jīng)面市10多年，并為照明鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)人員所熟悉，新的照明形式 (如LED) 的控制電路自然也會(huì)采用相同的IC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    看看AC市電驅(qū)動(dòng)的LED電路，你就會(huì)明白，無(wú)論是基于變壓器的隔離控制電路，還是非隔離的降壓電路，都很流行。選擇什么樣的電路取決于LED的數(shù)量以及燈具裝置的大小。在大多數(shù)照明產(chǎn)品中隔離市電并非必要。

    出于成本和效率的考慮，尋找單一PFC+PWM級(jí)一直是AC-DC功率電子的最高境界，最好使用單一功率級(jí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)PFC和PWM功能。通常，在大多數(shù)電源產(chǎn)品中，阻礙各種建議方案廣泛應(yīng)用的罪魁是負(fù)載和溫度的變化。照明LED插座的負(fù)載相對(duì)固定，這就促使人們嘗試直接用FAN7529 PFC  IC來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC 和 PWM控制芯片的功能。

使用FAN7529實(shí)現(xiàn)非隔離轉(zhuǎn)換器

   圖3所示為FAN7529在非隔離轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的框圖。本文中的圖6將給出轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)電路。

 

 
圖3：電感計(jì)算

 
圖4：高壓非隔離降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

在該應(yīng)用中，輸入電壓VIN應(yīng)高于輸出LED電壓。這意味著較之于一般PFC應(yīng)用我們需要更大的體電容。導(dǎo)通時(shí)間如下方程給出：

  
 

 
   ton : 導(dǎo)通時(shí)間
   toff : 斷開(kāi)時(shí)間

電感值由輸出功率和最小開(kāi)關(guān)頻率決定。最小開(kāi)關(guān)頻率必須高于音頻 (20KHz)，這是為了防止音頻噪聲。最大開(kāi)關(guān)切換周期，即Ts的最大值是VIN峰值和輸出電壓Vo的一個(gè)函數(shù)；若選擇適當(dāng)?shù)腣o，它可在輸入電壓最高或最低時(shí)達(dá)到最大值。
 

輸入電容的電壓紋波在該線路電壓最低和負(fù)載最大時(shí)達(dá)到最大值。如果fsw(min)>>fac ，就可假設(shè)輸入電流在開(kāi)關(guān)切換期間為常數(shù)。

    開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的輸入電流和電感電流波形

    Vin(peak_min) > = V_led

 圖5 a、b、c：使用FAN7529控制器和LED構(gòu)建的原型電路板

 
    使用FAN7529實(shí)現(xiàn)的降壓轉(zhuǎn)換器

如果應(yīng)用能夠保證，F(xiàn)AN7529也可以用于實(shí)現(xiàn)隔離的反激式轉(zhuǎn)換器。

只需增加一些附加電路，就可用調(diào)光電路來(lái)控制輸出光強(qiáng)。

圖6所示為驅(qū)動(dòng)LED串的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器電路圖。

LED控制器的前景

     隨著LED的發(fā)展，有理由期望，這一具有前途的市場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生多項(xiàng)創(chuàng)新的解決方案，用于處理經(jīng)整流的AC市電的LED控制器。采用流行且相對(duì)便宜的600V雙極CMOS-DMOS工藝，就可實(shí)現(xiàn)專門(mén)針對(duì)LED控制的多種集成電路。

    這些控制器體積小，會(huì)啟發(fā)封裝方面的一些考慮，如將一個(gè)用600V IC工藝制造的控制器與600V功率MOSFET (采用傳統(tǒng)技術(shù)或電荷平衡技術(shù)) 集成在同一封裝中。各種chip-on-chip和chip-by-chip模式已在世界各地的大批量應(yīng)用中流行起來(lái)。

圖7：將MOSFET和控制器集成在一個(gè)封裝中，可以減小尺寸和提高可靠性。圖中給出了兩種類型多芯片封裝和單片結(jié)構(gòu)的比較。

   減小EMI也是發(fā)展照明LED控制器的主要挑戰(zhàn)。準(zhǔn)諧振 (Quasi-Resonant)、變頻和零電壓開(kāi)關(guān)電路等技術(shù)，都有能力協(xié)助開(kāi)發(fā)更好的照明LED控制器。