通過初級(jí)端調(diào)節(jié)提高照明效率摘要
摘要
全球?qū)?shí)現(xiàn)低功耗和高效率技術(shù)的關(guān)注不斷持續(xù),由于照明應(yīng)用占了全球近20%的電力資源消耗量,所以照明技術(shù)的進(jìn)步,會(huì)對(duì)能源狀況產(chǎn)生巨大的影響。LED固態(tài)照明(solid state lighting, SSL)是一種環(huán)保技術(shù),具有出色的外形尺寸,使用壽命長(zhǎng),轉(zhuǎn)換效率高,而且功耗相比傳統(tǒng)的白熾燈低80%或90%。在LED SSL中,LED驅(qū)動(dòng)器扮演著重要的角色,因?yàn)橐克鼇硖峁┍3址€(wěn)定亮度所需的精確電流。不過,傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)器方案采用次級(jí)反饋電路來驅(qū)動(dòng)LED的電壓和電流,而次級(jí)反饋電路會(huì)導(dǎo)致成本和尺寸的增加。本文將介紹一種 “初級(jí)端調(diào)節(jié)”(Primary Side Regulation, PSR)專利技術(shù)。這種PSR控制器無需次級(jí)端反饋電路,即能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)端中LED驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流。它同時(shí)包含了頻率抖動(dòng)功能來降低EMI,以及輕載待機(jī)模式來減小待機(jī)損耗。利用該方案,PSR充電器可以實(shí)現(xiàn)比振鈴扼流圈轉(zhuǎn)換器(Ringing Choke Converter,RCC)和傳統(tǒng)PWM等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更小的外形尺寸、更低的待機(jī)功耗和更高的效率。
LED照明概述
由于能源需求失衡、能源成本增加,加上全球?qū)Νh(huán)境問題的關(guān)注,節(jié)能綠色技術(shù)變得越來越重要。照明應(yīng)用的能量損耗可高達(dá)20%,因此利用創(chuàng)新性技術(shù)來降低能源浪費(fèi),對(duì)節(jié)能具有重大的影響。能效規(guī)范在全球各地區(qū)日益普及,例如,美國(guó)有能源之星(ENERGY STAR),而且澳大利亞、歐盟和美國(guó)加州也都宣布將逐步淘汰傳統(tǒng)照明解決方案。
發(fā)光二極管(LED)實(shí)際上與整流二極管一樣,都具有單向?qū)щ娦?。不同于傳統(tǒng)照明技術(shù),SSL LED是利用半導(dǎo)體來把電能轉(zhuǎn)換為光能。LED照明相對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下:
1. LED由DC電壓驅(qū)動(dòng),即使在低電壓低電流條件下也能保持高亮度。在相同的照明應(yīng)用中,相比其它照明方案,LED可以實(shí)現(xiàn)80%的節(jié)能。高亮度LED的壽命可能長(zhǎng)達(dá)60,000 ~ 100,000個(gè)小時(shí);而白熾燈泡只有1000個(gè)小時(shí)。此外,LED的反應(yīng)速度很快(100ns ~ 1ns)。
2. LED的單色性良好,常用顏色包括紅、綠、黃和橙色。其顏色可通過改變電流來改變,而且不同于傳統(tǒng)冷陰極螢光燈管(CCFL),LED不含光譜中的紫外線和紅外線輻射,而有害汞金屬元素含量也較少,有利于環(huán)保。
3. LED尺寸小、抗振動(dòng)、沖擊阻力大,另外還可以在燈泡中制備成各種形狀。
與LED、螺旋節(jié)能燈泡和T5熒光燈相比,白熾燈的照明效率只有12lm/W,壽命少于2000小時(shí);螺旋節(jié)能燈泡的照明效率為60lm/W,壽命約8000小時(shí);而T5燈泡的的照明效率則為96lm/W,壽命約10,000個(gè)小時(shí)。5mm白色LED的照明效率為20 ~ 28lm/W,壽命約100,000小時(shí)。顯然,較之傳統(tǒng)照明應(yīng)用產(chǎn)品,LED的使用壽命更長(zhǎng),且特性也更具吸引力。高亮度發(fā)光二極管(High-Brightness Light Emitting Diode, HBLED)是一種大功率高亮度的LED,它的壽命更長(zhǎng)、尺寸更小,而且設(shè)計(jì)靈活,已成為傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)舻奶娲a(chǎn)品。HBLED一般用于以下應(yīng)用:
1. 屏幕顯示和交通燈:各種廣告牌、體育記分板和交通信號(hào)。
2. 車用照明燈:儀表板指示器、音頻和外部LED剎車燈、尾燈、邊燈等。
3. 背光:手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦背光。
4. 景觀照明、建筑照明、裝飾燈、街燈和住宅照明。
HB LED作為一種新型的LED照明源綠色產(chǎn)品,必將是未來發(fā)展的新趨勢(shì)。
采用初級(jí)端調(diào)節(jié)控制器的高亮度LED驅(qū)動(dòng)器
如上所述,LED照明擁有諸多優(yōu)勢(shì),但若沒有適當(dāng)?shù)碾妷汉途_的電流,這些器件的壽命不僅會(huì)縮短,其功耗和熱耗也會(huì)增加,最終對(duì)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一樣擁有斜率很大的V-I曲線,因而LED的工作電壓對(duì)工作電流相當(dāng)敏感,若變化很大,便會(huì)影響HB LED單元的壽命。因此,LED的電流對(duì)照明非常重要?;谶@個(gè)原因,對(duì)HB LED的壽命而言,帶有出色的恒流技術(shù)的PSR就顯得既重要又有益。LED驅(qū)動(dòng)器一般采用非隔離降壓轉(zhuǎn)換器或隔離反激式轉(zhuǎn)換器。
在傳統(tǒng)的LED控制電路中,離線恒定輸出電流LED驅(qū)動(dòng)器可使用隔離反激式(flyback)轉(zhuǎn)換器配合次級(jí)端電路調(diào)節(jié)輸出電流來實(shí)現(xiàn),如圖1所示。這里,LED電流通過次級(jí)端的一個(gè)sense電阻Ro來測(cè)量,并通過光耦合器提供必需的反饋信息。光耦合器在初級(jí)端和次級(jí)端之間形成隔離,并把反饋信號(hào)耦合到初級(jí)端的PWM控制器。為達(dá)到更好的輸出調(diào)節(jié),PWM控制器通過光耦合器接收次級(jí)端的反饋信號(hào),決定MOSFET的占空比。這種方案可提供精確的電流控制,但缺點(diǎn)是器件數(shù)目較多,意味著需要更大的板上空間、更高的成本,而且可靠性也較低。同時(shí),sense電阻Ro還會(huì)增加功耗,降低恒流調(diào)節(jié)電源效率。近來,LED驅(qū)動(dòng)器的效率和節(jié)能要求變得越來越重要,同時(shí)LED應(yīng)用也需要更小的尺寸,因此傳統(tǒng)電路不再滿足相關(guān)要求。本文將介紹一種能夠減少器件數(shù)目并提高效率的初級(jí)端控制方法。
圖1.采用傳統(tǒng)次級(jí)端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動(dòng)器
初級(jí)端調(diào)節(jié)(PSR)技術(shù)是把離線LED驅(qū)動(dòng)器的成本降至最低的最佳解決方案,它無需在次級(jí)端使用光耦合器,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,通過輔助線圈取代次級(jí)端的光耦合器來檢測(cè)輸出信息,如圖2所示。圖2所示為一個(gè)采用初級(jí)端控制器的反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其主要工作波形。
圖2.采用初級(jí)端控制器的反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其波形
當(dāng)PSR控制器導(dǎo)通MOSFET時(shí),變壓器電流iP將線性地從零增加到ipk,如算式(1)。 在導(dǎo)通期間,能量存儲(chǔ)在變壓器中。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)(toff),存儲(chǔ)在變壓器中的能量通過輸出整流器傳送到功率轉(zhuǎn)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被反射到輔助線圈NAUX,輔助線圈NAUX上的電壓可由算式(2)表示。這時(shí)可運(yùn)用一種專有的采樣技術(shù)來對(duì)反射電壓進(jìn)行采樣,由于輸出整流器的正向電壓變得恒定,故可獲得相關(guān)輸出電壓信息。然后,采樣得到的電壓與精確的參考電壓進(jìn)行比較,形成一個(gè)電壓回路,從而確定MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間,并精確調(diào)節(jié)恒定輸出電壓。
(1)
(2)
在這算式中,LP為變壓器初級(jí)線圈的電感;VIN為變壓器的輸入電壓;ton是MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間;NAUX/NS為輔助線圈與次級(jí)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(shí)間(tdis)加倍,如圖2所示,輸出電流IO與變壓器的次級(jí)端電流有關(guān)。IO還可通過ipk、tdis求得,如算式 (3)所示。PSR控制器利用這個(gè)結(jié)果來確定MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間,并調(diào)節(jié)恒定輸出電流。Sense電阻RSENSE用來調(diào)節(jié)輸出電流的數(shù)值。
(3)
這里,tS是PSR控制器的開關(guān)周期;NP/NS是初級(jí)線圈和次級(jí)輸出線圈的匝數(shù)比;RSENSE為感測(cè)電阻,把變壓器的開關(guān)電流轉(zhuǎn)換為電壓VCS。
利用PSR控制器實(shí)現(xiàn)HB LED驅(qū)動(dòng)器
這里使用了一個(gè)HB LED驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)三個(gè)串聯(lián)HB LED,輸出規(guī)格為12V/0.35A。若采用集成了一個(gè) PSR控制器和一個(gè)600V/1A MOSFET的PSR控制器FSEZ1016A,將有助于減少外部組件數(shù)目,減小PCB面積,降低功耗和MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路上的信號(hào)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(dǎo)通時(shí)間調(diào)制,來線性降低PWM頻率,使待機(jī)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(jìn)一步提高了EMI性能。
實(shí)驗(yàn)顯示,采用這種方法,恒流(CC)調(diào)節(jié)精度可達(dá)1.8% ,折回(fold-back)電壓為4V(如圖3所示),適用于很大的VDD范圍,而且CC能力與輸出電壓有關(guān)。115Vac輸入時(shí)效率為77.66%,230Vac輸入時(shí)效率為77.40%,空載時(shí)最大功率為0.115W。由此可見,利用FSEZ1016A便可以獲得一個(gè)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
總結(jié)
隨著業(yè)界對(duì)高能效電子產(chǎn)品開發(fā)投放更多力度,照明應(yīng)用需要?jiǎng)?chuàng)新性技術(shù)來取代傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)?。HB LED的優(yōu)勢(shì)在于尺寸小、亮度高、壽命長(zhǎng),并且環(huán)保。這些優(yōu)勢(shì)都是推動(dòng)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(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)。本文介紹的“初級(jí)端調(diào)節(jié)”(PSR)專利技術(shù),只須通過PSR控制器,即能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)端中LED驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流,無需次級(jí)端反饋電路,從而實(shí)現(xiàn)尺寸更小、壽命更長(zhǎng)、更環(huán)保的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)顯示PSR能夠提供1.8%的恒流(CC)調(diào)節(jié)精度,在115Vac輸入時(shí)效率為77.66%,230Vac輸入時(shí)效率為77.40%,空載時(shí)最大功率為0.115W。這種PSR技術(shù)是把離線LED驅(qū)動(dòng)器成本降低的最佳解決方案。