如何改善LED照明功耗?

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個角落。與普通光源相比，LED燈具有效率高、環(huán)保和使用壽命長的特性，因而它們正在成為降低室內(nèi)和外部照明能耗的主選解決方案。設(shè)計用于照明供電的開關(guān)電源也應(yīng)該具有高效率，以便順應(yīng)LED燈的節(jié)能特性。

除了在正常工作過程中具有高功率轉(zhuǎn)換效率之外，開關(guān)電源的待機(jī)功耗也成為LED業(yè)界的普遍關(guān)注焦點(diǎn)。在不遠(yuǎn)的將來，待機(jī)功耗有望調(diào)整到1W甚至300mW以下。然而，在LED照明應(yīng)用中，專用于待機(jī)電源的輔助功率級并不適用戶，主要是因?yàn)檎彰鲬?yīng)用在工作期間不存在待機(jī)條件。但是，為燈泡供電的開關(guān)電源即便在沒有燈或者燈已損壞的條件下仍然與電網(wǎng)連接并吸取能量。這是在照明應(yīng)用中關(guān)心待機(jī)功率水平的主要原因。

在空的辦公樓中，待機(jī)功耗特性不良的照明系統(tǒng)是不環(huán)保的，本文探討如何引入簡單的輔助電路來降低待機(jī)功耗。所提議的電路能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)級的間歇工作，該P(yáng)FC級是降低照明開關(guān)電源的待機(jī)功耗所必需的。為了評估所提議的電路，我們設(shè)計了一個額定功率為120W的兩級開關(guān)電源，在寬泛的輸入電壓范圍下可以獲得低于1W的待機(jī)功耗。

兩級配置

由于額定功率的原因和改善功率因數(shù)的需求，LED街燈的開關(guān)電源通常使用兩級配置，它由第一級的PFC模塊和第二級的下游DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。在100W左右的中等功率范圍，臨界導(dǎo)通模式(CRM)是PFC級合適的控制方案。在這個額定功率范圍中，下游DC-DC轉(zhuǎn)換器通常采用準(zhǔn)諧振反激拓?fù)洹?/p>

高度集成的FAN6300脈寬調(diào)制(PWM)控制器具有一個內(nèi)部波谷電壓檢測器，能夠保證電源系統(tǒng)在寬泛的線路電壓范圍內(nèi)工作于準(zhǔn)諧振狀態(tài)，并減小開關(guān)損 耗，使功率MOSFET漏極上的開關(guān)電壓最小化。為了最大限度減小待機(jī)功耗和改善輕負(fù)載效率，專有的綠色模式功能提供關(guān)斷時間(off-time)調(diào)制，以便降低開關(guān)頻率，并執(zhí)行延長的波谷電壓開關(guān)，保證MOSFET在關(guān)斷時漏-源電壓保持在最低水平。

使用這項(xiàng)特性，第二DC-DC級在無負(fù)載條件下進(jìn)入間 歇工作模式，能夠獲得非常理想的待機(jī)功耗特性。大多數(shù)現(xiàn)有的PFC控制器并無間歇工作功能，主要是因?yàn)镻FC級最初針對消費(fèi)應(yīng)用和顯示器應(yīng)用，而在那些應(yīng) 用中為PFC和DC-DC級提供電壓源的輔助電源是分離的。在LED照明應(yīng)用中，通常不采用輔助功率級，因此，應(yīng)該關(guān)斷PFC級，否則待機(jī)功耗無法低于1W。

PFC級的間歇工作模式

在兩級開關(guān)電源中，應(yīng)關(guān)斷PFC級，以滿足待機(jī)功耗法規(guī)的要求。關(guān)斷PFC級的主要原因是大多數(shù)PFC控制器沒有間歇工作(Burst- operation)特性。如果PFC控制器不支持間歇工作模式，PFC級將會連續(xù)工作，即便在無負(fù)載條件下也會吸取能量。因此，對于帶有現(xiàn)有PFC控制 器的兩級開關(guān)電源設(shè)計而言，關(guān)斷PFC級是唯一可行的方法。

但是，在重新啟動PFC級時會出現(xiàn)大的沖擊電流，并導(dǎo)致MOSFET等功率開關(guān)上電壓或電流應(yīng) 力的增加。此外，還會導(dǎo)致LED燈在恒流工作期間出現(xiàn)閃爍。業(yè)界需要找到一種新途徑來滿足待機(jī)功耗法規(guī)要求，同時避免上述問題。解決完全關(guān)斷PFC級帶來 的這些副作用的一個可行方法是PFC級采用間歇工作方式。

建議使用一種簡單的輔助電路，將PFC的工作與準(zhǔn)諧振反激DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步，因?yàn)楫?dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器開始間歇工作時，PFC級也能夠進(jìn)入間歇工作模式。一旦第二級反激轉(zhuǎn)換器結(jié)束間歇模式工作，PFC級會立即退出間歇工作模式。圖1為該輔助電路的工作原理。PFC級的偏置電源受到準(zhǔn)諧振反激DC-DC轉(zhuǎn)換器反饋的控制。

在無負(fù)載條件下，當(dāng)反激轉(zhuǎn)換器的反饋電壓下降時，PFC級的電源電壓被切斷，PFC控制器停止工作。圖2顯示負(fù)載從滿負(fù)載到無負(fù)載，再到滿負(fù)載過程 中的工作波形。一旦第二級反激轉(zhuǎn)換器進(jìn)入間歇工作，PFC級便進(jìn)入間歇工作模式，并與反激轉(zhuǎn)換器同步停止間歇工作模式。

通過對PFC級執(zhí)行間歇工作，可以 消除可能引起潛在問題的大浪涌電流，并且大幅降低待機(jī)功耗。為了評測PFC級的間歇工作，使用FAN7930臨界導(dǎo)通模式PFC控制器、帶間歇工作功能的 準(zhǔn)諧振反激控制器FAN6300A以及所提議的PFC控制電路，設(shè)計了一個用于LED街燈的的120W(48V/2.5A) LEB-016演示線路板。如圖2所示，建議的電路工作出色。表1所示為在各種輸入線路電壓下的待機(jī)功耗測量值。可以證明：在寬泛的輸入范圍內(nèi)，可以使待 機(jī)功耗降低80%以上。還可以在高線路輸入電壓下獲得低于0.3W的待機(jī)功耗。

這是一種簡單但非常有效的改善照明開關(guān)電源待機(jī)功耗的方法。這個建議的電路可以使PFC級與第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器同步進(jìn)行間歇工作。這種方法消除了與關(guān)閉和重啟PFC級相關(guān)的涌入電流問題。建議的電路可以有效降低待機(jī)功耗。通過評測線路板驗(yàn)證，在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)，可以使待機(jī)功耗小于1W。所提議的方法對于通常沒有待機(jī)功率調(diào)節(jié)模塊的照明應(yīng)用具有很大的吸引力。

LED照明開關(guān)電源功耗降下來，LED照明節(jié)能的優(yōu)勢就會發(fā)揮的更好，希望文章的設(shè)計方法對設(shè)計工程師有一定的幫助。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計人員擁有更加專業(yè)的知識儲備，這樣才能設(shè)計出更加符合生活所需的產(chǎn)品。