LED驅動器基本拓撲的設計挑戰(zhàn)

在考慮使用LED驅動器將AC輸入電壓轉換為用于LED負載的恒定電流源的拓撲時，將LED應用分為三種功率水平是有幫助的：(1)低功率應用。要求輸入低于20W，例如燈條、R燈和白熾燈的替換品;(2)中等功率應用。輸入最高為50W，例如天花板筒燈和L燈;(3)高功率應用。要求輸入高于50W，例如標牌燈或街燈。設計人員在這三種功率范圍內面對不同的挑戰(zhàn)組合，包括成本、安裝LED驅動器的空間、效率、設計復雜性、功率因數(shù)、平均失效時間(mean-time-to-failure, MTTF)以及可靠性，上述只是諸多挑戰(zhàn)中的一些。本文將推薦在這三種基本功率范圍內使用的基本拓撲以應對設計挑戰(zhàn)。

低功率解決方案面向小尺寸照明燈應用，這些應用要求安裝LED驅動器的設計體積小，通過控制流過LED的電流來達到穩(wěn)定的光輻射，并具有高效率和低成本。為了符合“能源之星(Energy Star)”對于照明器具的規(guī)劃要求，對于住宅燈具的功率因數(shù)必須≥0.7，并且對于輸入功率大于5W的商業(yè)應用，功率因數(shù)必須≥ 0.9。

(1)如果不需要LED驅動器隔離，降壓調節(jié)器拓撲具有最低的BOM成本，因而是可以考慮的低成本解決方案。圖1為非隔離降壓拓撲示例，包括了功率因數(shù)校正和調光能力，僅有一個磁性元件(一個簡單電感)和一個單一MOSFET/二極管對，用于降壓功率轉換。如果輸入電壓高于LED負載所需的輸出電壓，此拓撲為最佳選擇。

在需要隔離LED驅動器時，一個好的拓撲選擇就是初級端調節(jié)(primary-side regulated，PSR)反激拓撲;圖2是一個PSR反激LED驅動器示例。無需次級端反饋，可以降低成本，因而此拓撲的元件數(shù)目較少，可以實現(xiàn)良好的恒定電流調節(jié)?？刂破髦锌梢约蒑OSFET以減少BOM數(shù)目及減少印刷線路板空間。因無需使用用于次級反饋的光隔離器PSR反激的可靠性得以提高。

對于PSR反激拓撲，不連續(xù)導通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)是首選的工作模式，因為它可以更好地調節(jié)輸出。典型波形如圖3所示。

當PSR LED驅動器以恒定電壓調節(jié)模式工作時，在電感器電流放電時間Tdis期間，輸出電壓和二極管正向電壓降之和被反映至輔助線圈端。因為二極管正向電壓降隨著通過二極管的輸出電流減少而減少，在二極管放電時間Tdis的末端，輔助線圈電壓反映了輸出電壓。通過在二極管放電時間末端對輔助線圈電壓進行采樣，獲得輸出電壓的信息。

當以恒定電流調節(jié)模式工作時，使用峰值漏極電流IPEAK和電感電流放電時間Tdis可以估算輸出電流，因為在穩(wěn)定狀態(tài)下輸出電流與二極管電流的平均值相同。采用飛兆半導體創(chuàng)新的TRUECURRENT?技術，可以精確控制恒定電流輸出。

PSR拓撲的效率可以達到85%。作為一個例子，考慮8.4W的應用，LED驅動器的總功率損耗在85VAC輸入時測得為1.32W。損耗的支出，最大來自于變壓器，估計為0.55W，隨后是緩沖電路(如圖2所示，二極管與并聯(lián)的電阻和電容串聯(lián)，跨接在變壓器初級線圈上)，其損耗為0.31W，MOSFET的損耗為0.26W，以及輸出整流和橋式整流器一起的0.20W損耗。

(2)變壓器和緩沖電路通常是較主要的功率耗散組件，由于來自變壓器的漏電感，因而需要緩沖電路來防止電壓施壓在MOSFET上，假如未注意到這兩個設計方面，印刷線路板和輸入EMI濾波器也可以成為顯著的功率耗散來源。

總體1.32W損耗可能看起來并不是功率損耗的重要來源，但在一個低功率LED驅動器中，LED負載靠近驅動器，因而使設計發(fā)熱的是總體負載功率加上驅動器損耗。熱傳遞不會選擇強制冷卻氣流，因而上面引用的示例必須使用能夠從半導體和電氣器件中高效傳導8.4W功率的燈具，以便維持可靠性。假如散熱解決方案不能夠平衡這一功率并保持元件低溫，那么，使用電解電容器會減少設計的平均無故障工作時間(MTTF)。

中等功率解決方案仍然要求小體積設計和功率因數(shù)校正。在該功率范圍內效率和可靠性仍然是重要的設計制約?？墒褂玫牧己猛負涫菃渭壒β室驍?shù)校正反激拓撲，如圖4所示。

單級設計減少了元件數(shù)目并且無需輸入大體積電容器，不僅節(jié)省了設計空間，而且也降低了成本。用于功率因數(shù)校正控制的反激，使用了次級反饋。采用這些中等功率反激拓撲設計，可實現(xiàn)高達84%的效率。因為拓撲采用反激方式，在該LED驅動器設計中，變壓器和緩沖電路仍然是主要的功耗損耗來源。在中等功率范圍中，較高的功率水平增加了緩沖電路的功率損耗，因為緩沖電路損耗與變壓器漏電感和MOSFET中峰值電流平方的乘積成比例。在該中等功率設計中，變壓器的尺寸正在增加，而且MOSFET中的峰值電流也在增加。

大功率解決方案關注最佳的效率和可靠性，合理的成本以及較少的BOM數(shù)目。推薦使用兩級式LED驅動器。第一級用于功率因數(shù)校正，隨后是DC-DC轉換級來調節(jié)恒定電流輸出。第一級可以采用與中等功率范圍單級PFC反激轉換器設計相同的控制器。為了在該兩級方法中減少元件數(shù)目，在第一級上，控制器集成了一些元件和特性。

這里推薦兩種次級DC-DC轉換器選擇：準諧振反激，用于低于100W的應用，或者LLC拓撲，用于高于100W的應用。反激方案可以達到合理的效率，相對于LLC拓撲選擇，它是不太復雜的拓撲。通過降低導通開啟時的電容電壓，QR拓撲減少了與MOSFET輸出電容相關的開關損耗。QR拓撲MOSFET軟開關也減少了EMI。然而，對于LLC拓撲，較好的效率歸功于MOSFET的零電壓開關(zero voltage switching)，而且可以使用小型保持(holdup)電容器。在該兩級方法中可以實現(xiàn)高達92%的效率。圖5和圖6顯示了QR和LLC拓撲。請注意圖6中的LLC電路使用了變壓器的漏電感和磁化電感以建立LLC諧振電路。[!--empirenews.page--]

大功率應用通常使用多串LED。圖6顯示了使用次級控制器來平衡通過不同LED串負載的電流。

結論

本文針對三種不同功率范圍的離線LED驅動器應用，推薦了不同的拓撲。根據(jù)不斷增加的LED負載功率水平，提出了降壓轉換器、PFC單級反激，以及兩級PFC反激，并隨后提出了QR反激或LLC方案。每種推薦的拓撲方案都基于安裝LED驅動器的可用設計空間、效率要求、可靠性、成本和設計復雜性等考慮，能夠最好地滿足上述限制條件。

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