驅動用于照明的高亮度LED

 引言

   照明領域中鮮有如最近出現(xiàn)的高亮度LED這樣的技術，擁有能夠改變整個行業(yè)的潛力。本文將討論使用交流市電驅動這類LED的方法，涉及功率因數(shù)校正 (PFC)、功率MOSFET設計的發(fā)展趨勢，以及實現(xiàn)低成本、大規(guī)模照明所需的保護功能。

   當今美國總能耗的22%用于照明。能源的高成本一直在推動更新、更高效照明技術的發(fā)展。隨著當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自問世起就充當各種低亮度產(chǎn)品中白熾燈或熒光燈的一種替代產(chǎn)品，用于這類半導體的驅動電路中。
由于高亮度LED的光輸出強度取決于流經(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，采用流行的SO-8封裝的PFC IC) 來實現(xiàn)這種PWM方案。

FAN7529 SO-8 PFC IC的特點

按照法律規(guī)定，所有超過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，采用了簡單的轉換模式，即工作在電感電流的非連續(xù)傳導模式邊界狀態(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的操作比較簡單，使用誤差放大器測量IN腳的輸出分壓，并將測量結果與預設值比較。EA-OUT腳用于補償該放大器。

輸入電壓正弦波在MULT上測量。FAN7529將輸入電壓與輸出誤差相乘。

    CS為來自MOSFET的電流傳感輸入信號。當乘法器輸出超過該參考電流，觸發(fā)器將觸發(fā)，使OUT置為高電平，從而導通MOSFET。當Idet上檢測到一個零交信號，OUT將被置為低電平，從而關斷MOSFET。

圖2：FAN7529實現(xiàn)的PFC，典型的柵極驅動信號、輸入電壓和電感電流波形[!--empirenews.page--]

    由于FAN7529及類似的低價SO-8 IC已經(jīng)面市10多年，并為照明鎮(zhèn)流器的設計人員所熟悉，新的照明形式 (如LED) 的控制電路自然也會采用相同的IC來實現(xiàn)。

    看看AC市電驅動的LED電路，你就會明白，無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級一直是AC-DC功率電子的最高境界，最好使用單一功率級同時實現(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用的罪魁是負載和溫度的變化。照明LED插座的負載相對固定，這就促使人們嘗試直接用FAN7529 PFC  IC來實現(xiàn)PFC 和 PWM控制芯片的功能。

使用FAN7529實現(xiàn)非隔離轉換器

   圖3所示為FAN7529在非隔離轉換器中應用的框圖。本文中的圖6將給出轉換器的詳細電路。

 

 
圖3：電感計算

 
圖4：高壓非隔離降壓轉換器的工作原理[!--empirenews.page--]

在該應用中，輸入電壓VIN應高于輸出LED電壓。這意味著較之于一般PFC應用我們需要更大的體電容。導通時間如下方程給出：

  
 

 
   ton : 導通時間
   toff : 斷開時間

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

輸入電容的電壓紋波在該線路電壓最低和負載最大時達到最大值。如果fsw(min)>>fac ，就可假設輸入電流在開關切換期間為常數(shù)。

    開關周期內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構建的原型電路板

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    使用FAN7529實現(xiàn)的降壓轉換器

如果應用能夠保證，F(xiàn)AN7529也可以用于實現(xiàn)隔離的反激式轉換器。

只需增加一些附加電路，就可用調光電路來控制輸出光強。

圖6所示為驅動LED串的非隔離降壓轉換器電路圖。

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將會產(chǎn)生多項創(chuàng)新的解決方案，用于處理經(jīng)整流的AC市電的LED控制器。采用流行且相對便宜的600V雙極CMOS-DMOS工藝，就可實現(xiàn)專門針對LED控制的多種集成電路。

    這些控制器體積小，會啟發(fā)封裝方面的一些考慮，如將一個用600V IC工藝制造的控制器與600V功率MOSFET (采用傳統(tǒng)技術或電荷平衡技術) 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用中流行起來。

圖7：將MOSFET和控制器集成在一個封裝中，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構的比較。

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