通過單級PFC降壓LED驅(qū)動器簡化T8熒光燈的更換設(shè)計

照明工程師可利用單級，非隔離，功率因數(shù)校正（PFC）降壓LED驅(qū)動器簡化LED管8（T8）熒光燈更換設(shè)計，可減少元件數(shù)量，節(jié)省空間并降低成本。這種設(shè)計可以取代通常需要大型無源元件的更昂貴的兩級拓?fù)?，使其難以適應(yīng)有限的管空間。

許多設(shè)計師主要出于安全考慮而使用隔離方法。在這些情況下，選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是具有初級側(cè)反饋或調(diào)節(jié)的反激式配置。但隨著越來越多的照明設(shè)計師詢問如何使用具有成本效益的LED設(shè)計T8燈管燈具，由于其更高的效率和更少的元件使用，已經(jīng)從隔離LED驅(qū)動器轉(zhuǎn)向非隔離LED驅(qū)動器。

設(shè)計人員通常可以通過單級非隔離PFC降壓拓?fù)浍@得最高效的設(shè)計，從而消除了光隔離器和大型鋁電解輸入大容量電容器。這實現(xiàn)了三件事：它可以延長使用壽命，減少元件數(shù)量并降低成本。它還可以更容易地安裝在T8印刷電路板（PCB）中。

有幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) - 降壓，降壓 - 升壓和抽頭降壓 - 可用于T8燈管設(shè)計的單級PFC，非隔離LED驅(qū)動器。他們都有自己的優(yōu)勢和權(quán)衡。通常，這些方法具有高效率，高功率因數(shù)（PF），良好的總諧波失真（THD）和低元件數(shù)，從而轉(zhuǎn)化為成本更低的解決方案。

在將數(shù)字放入這些規(guī)范方面，能源之星要求在商業(yè)應(yīng)用中要求PF至少為0.9，盡管許多設(shè)計師正在尋找0.95或0.99。 THD（EN 61000-3-2描述了照明系統(tǒng)工業(yè)/商業(yè)功率因數(shù)允許的諧波含量）通常必須低于30％，盡管在許多情況下設(shè)計人員尋求的比例不到20％甚至15％。

效率是另一個重要的規(guī)范。由于沒有效率標(biāo)準(zhǔn)，這往往成為LED驅(qū)動器制造商的競爭戰(zhàn)場。實現(xiàn)高效率至關(guān)重要，因為它直接影響發(fā)光效率。效率越高，所需的散熱越少。 Power Integrations的產(chǎn)品營銷經(jīng)理安德魯·史密斯表示，這意味著驅(qū)動器更便宜，而且使用更小的PCB，成本更低。

作為使用降壓配置的高效驅(qū)動器的示例，Power Integrations為使用LNK460KG控制器的T8 LED燈管提供了一個20 W非隔離式高壓降壓LED驅(qū)動器的參考設(shè)計（圖1）。該設(shè)計提供超過90％的效率，高PF超過0.9，低THD低于15％。總物料清單（BOM）為29個零件。這是一種單級，組合PFC和恒流（CC）輸出設(shè)計，不需要電解初級大容量電容，有助于延長驅(qū)動器的使用壽命。高線設(shè)計意味著它可以處理比低線路降壓轉(zhuǎn)換器更高的輸出電壓。

圖1：Power Integrations LinkSwitchPL（U1）LNK460KG開關(guān)器件采用20 W非隔離降壓LED驅(qū)動器，可在單次轉(zhuǎn)換中控制功率因數(shù)和輸出電流，從而實現(xiàn)高效率和非常好的功率因數(shù)。 （由Power Integrations提供）。

LNK460KG控制器還可用于低壓非隔離PFC LED驅(qū)動器，采用降壓 - 升壓配置，用于T8 LED燈。效率評級大于87％，PF為0.98，THD小于10％。 24個零件的總BOM數(shù)量和驅(qū)動器的小尺寸（《8 mm高和15 mm寬）使得安裝在T8管內(nèi)更加簡單。

為了解釋為什么單級非隔離PFC降壓拓?fù)涫荰8管燈LED驅(qū)動器的最佳方法，我們現(xiàn)在將解決為什么非隔離設(shè)計更便宜，以及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和權(quán)衡。

為什么非隔離便宜？

LED驅(qū)動器中最大的成本因素之一是磁性元件。隔離設(shè)計需要滿足4?kV的電氣隔離擊穿能力，需要變壓器和相關(guān)組件。在非隔離設(shè)計中，變壓器被傳統(tǒng)的低成本電感器取代。它還消除了對光隔離器的需求或簡化了反饋組件。

非隔離LED驅(qū)動器的主要優(yōu)點之一是提高效率。效率通常高于90％（約91％或92％），相比之下，10至20 W范圍內(nèi)的隔離式單級驅(qū)動器的效率約為85％至87％。更高效的電源將為LED提供更多功率，這意味著設(shè)計人員可以選擇使用更少的LED或更便宜的LED來提供相同數(shù)量的總光輸出。

例如，飛兆半導(dǎo)體使用FL7701 PFC控制器的非隔離降壓LED驅(qū)動器（圖2）可以將BOM成本降低20％，并節(jié)省60％的電路板空間。它提供的PF》 0.9，效率為90％，THD更低。

圖2：飛兆半導(dǎo)體使用FL7701 PFC控制器的18 W非隔離降壓LED驅(qū)動器的參考設(shè)計消除了對任何電解電容的需求，從而提高了可靠性，節(jié)省了空間并降低了成本。 （由Fairchild Semiconductor提供）。

此外，在任何LED照明應(yīng)用中，熱量都是一個巨大的挑戰(zhàn)。問題是來自負(fù)載的熱量 - 輸入LED的75％的功率是以熱量的形式出現(xiàn) - 提高了電源周圍的環(huán)境溫度，因此任何可以提高效率的方法都可以更容易地產(chǎn)生更低的熱量。 Power Integrations的史密斯表示，由于對散熱或高溫元件的需求較少，因此成本驅(qū)動因素。

Power Integrations還指出，在比較隔離設(shè)計與非隔離設(shè)計的BOM時，減少了大約10個組件。飛兆半導(dǎo)體公司的照明專家Brian Johnson表示，功率損耗會導(dǎo)致散熱問題并提升元件周圍的溫升，而更高的溫度會降低元件的可靠性。 “在LED驅(qū)動器本身，您需要非常高效的設(shè)計。效率越高，驅(qū)動器耗散的功率越小。如果您在驅(qū)動器中浪費了功率，那將降低其整體功效數(shù)量?！?/p>

由于飛兆半導(dǎo)體的控制器經(jīng)過功率因數(shù)校正，因此無需使用電解電容，這是最薄弱的元件之一，特別是當(dāng)溫度升高時，約翰遜指出。

例如，飛兆半導(dǎo)體的FL7730MY PFC控制器可用于反激（隔離）或降壓 - 升壓（非隔離）配置，采用了該公司專有的初級側(cè)調(diào)節(jié)（PSR），稱為TRUECURRENT技術(shù)。 PFC消除了對電解大容量電容器的需求，而PSR消除了光耦合器的要求。這兩個組件被認(rèn)為是高溫LED驅(qū)動器中最薄弱的部件，可能影響LED照明的可靠性。

設(shè)計師可能還想考慮調(diào)光支持，因為它已成為商業(yè)系統(tǒng)中不斷增長的功能。例如，飛兆半導(dǎo)體的許多PFC控制器，包括FL7730和FL7701，都提供了各種調(diào)光控制方法。例如，F(xiàn)L7730MY提供多種調(diào)光方法，包括TRIAC，PWM和0至10 V工作范圍。對于非調(diào)光應(yīng)用，補(bǔ)充部分是FL7732，可用于反激式或降壓 - 升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

但是，有一些權(quán)衡。在一個非隔離電源中，某些政府機(jī)構(gòu)將要求電源轉(zhuǎn)換器周圍的材料符合更高的溫度標(biāo)準(zhǔn)，并且外殼具有更堅固的結(jié)構(gòu)，史密斯說，并補(bǔ)充說這意味著材料的透射率稍微降低，因此它吸收更多光線，這意味著每單位輸入功率的流明會略微下降。

雖然這是設(shè)計人員最初關(guān)注的問題，但由于非隔離設(shè)計的效率更高，因此幾乎已經(jīng)消除了這一點。 Smith估計非隔離驅(qū)動器的最高效率在10或12 W時約為93％，而使用單級轉(zhuǎn)換器的10或12 W隔離驅(qū)動器的效率約為88％。使用20 W轉(zhuǎn)換器，效率提高了3％。

拓?fù)溥x擇

當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時，降壓轉(zhuǎn)換器將能量從輸入傳輸?shù)诫娫摧敵?。它具有最高的效率，良好的THD和最低的元件數(shù)，但輸出電壓存在限制。一條經(jīng)驗法則是使用20 W或更低的降壓轉(zhuǎn)換器，并在20到30 W時進(jìn)行反激或降壓 - 增強(qiáng)。約翰遜表示T8設(shè)計的實際限制約為30 W（圖3和圖4）。

圖3：Power Integrations的20W輸出，非隔離降壓LED驅(qū)動器在整個電壓范圍內(nèi)顯示約90％的效率。 （由Power Integrations提供）。

圖4：Power Integrations的20 W輸出，非隔離降壓LED驅(qū)動器提供15％的THD。 （由Power Integrations提供）。雖然設(shè)計人員通?？梢酝ㄟ^降壓拓?fù)浍@得最高效的設(shè)計，但隔離式反激設(shè)計的一個顯著優(yōu)勢是其寬輸出電壓。設(shè)計人員也可以使用降壓 - 升壓拓?fù)?，因為它可以在很寬的電壓范圍?nèi)工作，但輸入電壓與輸出電壓的比率有限，因為它使用非隔離轉(zhuǎn)換器。

在這里，重要的問題是客戶串聯(lián)串聯(lián)多少個LED，因為這將決定LED上必須放置的電壓。例如，根據(jù)約翰遜的說法，如果有20個串聯(lián)LED并且每個LED具有3伏特的壓降，則LED驅(qū)動器上至少需要60V輸出才能成功驅(qū)動這些LED。 “在反激式電路中很容易做到60伏特，但是在降壓方面，它正在推動這一范圍，”他說。

與反激式轉(zhuǎn)換器類似，如果輸入電壓高于或低于輸出電壓，則降壓 - 升壓可提供功率，這意味著它具有高壓輸出的優(yōu)勢。它還具有高效率，低元件數(shù)和低THD。然而，它在輸入與輸出電壓的比率方面確實存在限制。

在這種情況下，Power Integrations的Smith推薦使用抽頭降壓轉(zhuǎn)換器，在非隔離設(shè)計中需要高電壓降壓。他說它仍然提供高效率和低元件數(shù)，但它需要一些額外的組件。

為非隔離，不可調(diào)光10 W，低線設(shè)計選擇LED驅(qū)動器拓?fù)鋾r，Power Integrations提供了一些通用性能指南。降壓配置提供91％的效率，良好的THD和低成本，但提供有限的輸出電壓。降壓 - 升壓提供90％的效率，最佳的THD，以及具有高壓輸出的低成本。抽頭降壓提供89％的效率，最佳的THD和低成本，不受電壓限制。