LED驅(qū)動(dòng)選擇的電源結(jié)構(gòu)-反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器

LED在生活中處處可見(jiàn)，有顯示屏的，也有照明的，但是有很多人不知道LED燈需要LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，LED燈具和燈泡現(xiàn)在正在很多通用照明應(yīng)用中快速取代白熾燈、鹵素?zé)艉虲FL(微型熒光燈)光源。反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器是大部分LED驅(qū)動(dòng)選擇的電源結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些器件能夠?qū)崿F(xiàn)LED與交流線(xiàn)之間的隔離，這是多數(shù)LED燈的安全需求。下面來(lái)介紹驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)知識(shí)。

幾乎所有直換式LED燈泡都有一個(gè)大的鋁散熱片，形狀要與設(shè)計(jì)相符，有很多鰭片擴(kuò)展表面積。高亮度LED發(fā)熱高，必須將其散到周?chē)諝庵?，以防過(guò)熱并延長(zhǎng)使用壽命。

盡管LED本身是接觸不到的，但它們通常會(huì)與散熱片保持電氣連接，因?yàn)閮烧咧g的任何隔離物都相當(dāng)于一個(gè)熱屏障。采用隔離器的設(shè)計(jì)需要減薄散熱片，以減少這種屏障，但卻不能提供可靠的電氣隔離。因此，工程師們通常喜歡采用隔離的反激式驅(qū)動(dòng)電路，而不是較為簡(jiǎn)單但非隔離的降壓結(jié)構(gòu)。反激式LED驅(qū)動(dòng)器還具有簡(jiǎn)單、低成本、實(shí)現(xiàn)高的功率因數(shù)的能力;并且增加一些電路就能兼容于常用的TRIAC(三端交流電)調(diào)光器。

圖1,反激LED驅(qū)動(dòng)電路的核心元件是一個(gè)耦合電感

反激式LED驅(qū)動(dòng)電路的核心元件是一個(gè)耦合電感(圖1)。大電壓MOSFET用于切換在DC總線(xiàn)上的電感初級(jí)。當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電感中的電流上升，能量以磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)起來(lái)。為此，電感磁芯需要一個(gè)空氣間隙。MOSFT的切換會(huì)中斷初級(jí)電流;因此，電流必須流入次級(jí)繞組，而不是通過(guò)二極管并進(jìn)入輸出電容和負(fù)載。在此期間，電感中的能量傳送給輸出端。由于MOSFET導(dǎo)通時(shí)電流不流到輸出端，因此輸出端需要一只存儲(chǔ)電容，為L(zhǎng)ED提供連續(xù)的電流。

電感的匝數(shù)比使得變壓器既不是降壓也不是升壓;而是必須考慮當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，在初級(jí)繞組上出現(xiàn)的反射電壓。MOSFET漏極上的電壓不得超過(guò)其在峰值線(xiàn)路電壓條件下的最大額定漏源電壓，以及最大LED輸出電壓。這個(gè)電壓等于DC總線(xiàn)電壓加上LED輸出電壓，再乘以匝數(shù)比，這就是反射電壓。對(duì)于一個(gè)120V的交流電路，MOSFET應(yīng)有400V電壓;對(duì)277V的交流或?qū)捿斎敕秶碾娐?，MOSFET應(yīng)有650V電壓。在這些電壓下可以做出需要次級(jí)匝數(shù)較少的實(shí)用電感設(shè)計(jì)。

反激轉(zhuǎn)換器不斷地通過(guò)電感存儲(chǔ)和輸送能量。因此，電感在磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)上只工作一個(gè)象限。于是，磁芯必須較大，才能傳送其它更復(fù)雜電源結(jié)構(gòu)所提供的功率，后者對(duì)磁芯的利用更高效。反激方案更適用于小于50W的功率水平，這覆蓋了所有螺口直換的LED燈泡產(chǎn)品，以及很多射燈和泛光燈(圖2)。反激設(shè)計(jì)也可以工作在較高功率水平;不過(guò)，這些設(shè)計(jì)更復(fù)雜，通常要使用多個(gè)電感，以及MOSFET交錯(cuò)電路。

圖2,反激方案最適用于功耗低于50W的應(yīng)用，覆蓋了所有螺口直換型LED燈泡產(chǎn)品，以及很多射燈和泛光燈

隨著性能標(biāo)準(zhǔn)逐步覆蓋LED照明產(chǎn)品，對(duì)環(huán)境問(wèn)題的考慮也成為了要求，如高功率因數(shù)。反激LED驅(qū)動(dòng)器可以提供約0.9的功率因數(shù)，它采用無(wú)源電路技術(shù)，無(wú)需任何會(huì)明顯增加成本和體積的預(yù)調(diào)節(jié)級(jí)。

為了提供高功率因數(shù)，可以從一個(gè)全波整流的DC總線(xiàn)運(yùn)行反激電路，只使用少量電容做高頻耦合，或者可以增加一個(gè)由兩只電容和三只二極管組成的簡(jiǎn)單無(wú)源填谷電路(圖3)。第一種方法比較廉價(jià)，但輸出端需要一個(gè)較大的保持電容，防止LED電流跌至接近AC線(xiàn)路的零交越處。因此，這種方法只有在LED為350mA或更小時(shí)才可行。第二種方法是較常用的方法，它增加了一些成本，但克服了第一種方法的局限性。

圖3,為提供高的功率因數(shù)，可以只用一只小電容做高頻耦合，從一個(gè)全波整流的DC總線(xiàn)運(yùn)行反激電路，或者可以增加一個(gè)由兩只電容和三只二極管組成的簡(jiǎn)單的無(wú)源填谷電路

接下來(lái)一個(gè)要考慮的問(wèn)題是如何調(diào)節(jié)LED電流。使用一個(gè)次級(jí)的電壓與電流檢測(cè)電路，用一個(gè)光耦將反饋信號(hào)傳回初級(jí)端的控制IC,就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)調(diào)節(jié)。還有一種方法是，可以?xún)H在MOSFET中調(diào)節(jié)初級(jí)端的峰值電流，而不直接檢測(cè)LED的電壓或電流。另一種選項(xiàng)是使用一種初級(jí)檢測(cè)方法，它提供了一些電流調(diào)節(jié)和過(guò)壓保護(hù)，但無(wú)需光耦。

采用次級(jí)電壓與電流檢測(cè)電路是最精確的方法，但它需要使用光耦和一個(gè)輸出檢測(cè)與穩(wěn)壓電路，所有這些都會(huì)影響空間與成本。調(diào)節(jié)MOSFET中的初級(jí)端峰值電流省掉了大量元件，但控制精度較低，只有在某種線(xiàn)路輸入和LED輸出電壓下，才能提供正確的輸出電流。盡管這種方案可能為某些低端應(yīng)用接受，但它沒(méi)有提供對(duì)開(kāi)路狀況的保護(hù)。如果負(fù)載開(kāi)路，則一個(gè)反激轉(zhuǎn)換的輸出可能產(chǎn)生高電壓，例如，當(dāng)一串LED中的一只失效呈開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，因?yàn)樵陔姼锌梢葬尫牌浯鎯?chǔ)的電流以前，電壓會(huì)持續(xù)升高。

現(xiàn)在，制造商在智能反激控制IC中采用了初級(jí)檢測(cè)方法，可以檢測(cè)電路初級(jí)端的電流與電壓，并用一種算法確定輸出電流，而無(wú)需直接檢測(cè)它。采用這種控制器的LED驅(qū)動(dòng)器可以在一個(gè)輸入電壓變動(dòng)區(qū)間上，提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流，不過(guò)它的輸出仍然需要設(shè)定為用于某些數(shù)量的LED,因?yàn)樗荒苷{(diào)節(jié)電壓的變化。這類(lèi)控制器還可以包含檢測(cè)開(kāi)路狀況的電路，從而限制輸出電壓。這種方法較在MOSFET調(diào)節(jié)初級(jí)端峰值電流方法更精確，因?yàn)榭刂破饔懈叩膹?fù)雜性，但仍然弱于采用光耦的次級(jí)電壓與電流檢測(cè)電路。

LED燈泡中的反激驅(qū)動(dòng)器可以采用任何PFC技術(shù)。不過(guò)，當(dāng)前的趨勢(shì)是用戶(hù)可以使用已安裝的TRIAC調(diào)光器。這種方案為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)增加了更多的復(fù)雜性。TRIAC調(diào)光器一般對(duì)容性負(fù)載如固態(tài)電源轉(zhuǎn)換器電路工作不良，因?yàn)楫?dāng)TRIAC點(diǎn)火時(shí)，只有當(dāng)電流保持在一個(gè)預(yù)定閾值以上時(shí)，才能持續(xù)導(dǎo)通電流。在LED驅(qū)動(dòng)器中，一般需要一些額外電路來(lái)保證這種活動(dòng)性。沒(méi)有這些附加電路，TRIAC的點(diǎn)火就會(huì)不規(guī)則，從而造成閃爍。

解決了這個(gè)問(wèn)題后， 還必須使LED驅(qū)動(dòng)器能夠根據(jù)調(diào)光器的位置，調(diào)節(jié)LED的輸出電流。最基本的電路取決于當(dāng)調(diào)光器電平下降使輸出電流減小時(shí)的總線(xiàn)電壓降。不過(guò)，這種方案提供的性能有限，只能用于調(diào)光器的一部分調(diào)節(jié)范圍。也許，設(shè)計(jì)出能與LED驅(qū)動(dòng)器一起工作的較好調(diào)光器，其意義要高于設(shè)計(jì)更復(fù)雜的LED驅(qū)動(dòng)器，并使之適應(yīng)于原來(lái)用于熒光燈的調(diào)光器。盡管這種方案似乎有技術(shù)上的邏輯，但市場(chǎng)現(xiàn)在并沒(méi)有采納這個(gè)方向。

現(xiàn)在很多設(shè)計(jì)都提供了很好的調(diào)光控制，方式是增加TRIAC點(diǎn)火角檢測(cè)電路，并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)DC控制電壓，然后相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出電流。不過(guò)，這類(lèi)方案現(xiàn)在需要用很多元件，因?yàn)樗麄儾捎昧嗽贛OSFET中調(diào)節(jié)初級(jí)端峰值電流的方法，這通常需要多只光耦。因此，這類(lèi)產(chǎn)品的售價(jià)至少要30美元。下一代可調(diào)光的反激設(shè)計(jì)很可能會(huì)采用初級(jí)檢測(cè)方法，前提是要有新的更智能的控制IC進(jìn)入市場(chǎng)。

除了用于泛光燈和射燈以外，反激LED也可作熒光燈的替代品，它們看來(lái)很類(lèi)似，但LED有更高的每瓦流明數(shù)，以及更長(zhǎng)的壽命。例如，你可以將LED串接成長(zhǎng)鏈，使之表現(xiàn)為一個(gè)連續(xù)的光源。圖中采用24W LED的產(chǎn)品替代了32W的T8熒光燈。在這個(gè)水平上，反激設(shè)計(jì)為低成本驅(qū)動(dòng)器提供了最佳選項(xiàng)，能同時(shí)滿(mǎn)足安全與性能的要求。以上就是LED驅(qū)動(dòng)的相關(guān)技術(shù)知識(shí)，如果要從事相關(guān)行業(yè)，需要設(shè)計(jì)人員有雄厚的知識(shí)儲(chǔ)備，還需要積累大量的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。