LED燈中驅(qū)動(dòng)器的重要性

兩種緊湊，高效的燈泡更換設(shè)計(jì)理念

LED燈現(xiàn)在作為標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的插件替代品在零售店中占據(jù)顯著位置。在標(biāo)準(zhǔn)尺寸燈泡的頸部?jī)?nèi)安裝LED所需的保護(hù)和恒流驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備是一種擠壓，特別是對(duì)于使用T8燈管或基于愛迪生螺旋的緊湊型設(shè)計(jì)的燈具。在這些應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的空間非常小，并且限制了可以使用的部件的尺寸和數(shù)量。缺乏空間也加劇了熱管理問題。更糟糕的是，LED負(fù)載的位置使其與電源緊密熱接觸。為避免過熱和隨之而來的故障，LED驅(qū)動(dòng)器必須以盡可能高的效率運(yùn)行。

嚴(yán)格的規(guī)定

除了提供穩(wěn)定的恒流輸出外，LED驅(qū)動(dòng)器（電源）還必須遵守日益嚴(yán)格的法規(guī)，涵蓋功率因數(shù)和電源消耗的諧波失真。 1 許多LED驅(qū)動(dòng)器解決方案采用兩級(jí)方法，具有升壓PFC級(jí)，后接一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器，通常是反激式轉(zhuǎn)換器。升壓PFC級(jí)通?？蓪?shí)現(xiàn)95％的最大效率，恒流驅(qū)動(dòng)器約為90％，整體效率達(dá)到85％。

這種方法需要一個(gè)電感器，兩個(gè)電源開關(guān)和兩個(gè)控制器 - 許多組件都可以裝入一個(gè)小型燈殼中。 PFC級(jí)和反激式轉(zhuǎn)換器分別執(zhí)行開關(guān)電流流動(dòng)或輸入和輸出電流整形的類似功能。如果兩個(gè)開關(guān)活動(dòng)可以組合成單個(gè)級(jí)，則需要更少的組件，并且僅用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路和一個(gè)開關(guān)級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。

圖1：使用組合式PFC和CC轉(zhuǎn)換器的單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器。

這種電路如圖2所示 - 單級(jí)，組合PFC和恒流驅(qū)動(dòng)器，使用Power Integrations公司生產(chǎn)的LinkSwitch?-PH IC。 2 單片器件采用725 V功率MOSFET與集成控制和保護(hù)電路配合使用。

圖2：?jiǎn)渭?jí)組合PFC和CC轉(zhuǎn)換器使用LinkSwitch-PH（來源：Power Integrations）。

控制PFC和恒定電流

控制器結(jié)合了專有的功率因數(shù)校正技術(shù)和初級(jí)側(cè)控制連續(xù)導(dǎo)通模式PWM開關(guān)功率級(jí)。通過在單個(gè)集成電路內(nèi)將這種控制方法與單片功率MOSFET和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路相結(jié)合，可以顯著減少LED驅(qū)動(dòng)器的元件數(shù)量。

使用LinkSwitch-PH IC和圖2所示的電路，對(duì)于需要電路的15 W LED驅(qū)動(dòng)器（相當(dāng)于60 W白熾燈泡），可實(shí)現(xiàn)大于90％的轉(zhuǎn)換效率比同等的兩階段方法更少的組件。由于輸入電流直接由電源開關(guān)整形，因此不需要輸入大容量電容。 LED驅(qū)動(dòng)器不使用電解大容量電容器，其在LED燈中所見的升高的環(huán)境溫度下具有短壽命，這可能導(dǎo)致兩級(jí)解決方案的問題。

最低成本的非隔離解決方案

雖然隔離式反激式轉(zhuǎn)換器非常有效，但它們?cè)谛剩叽绾统杀痉矫娲嬖谝恍┫拗啤ｋ娫醋儔浩髦械拈_關(guān)損耗降低了整體效率，而電氣隔離間隙空間可占據(jù)8 W轉(zhuǎn)換器總可用電路板面積的15％以上。由于變壓器必須滿足高壓隔離要求和更昂貴的結(jié)構(gòu)，因此磁性元件的成本更高。

更簡(jiǎn)單且成本更低的方法，至少對(duì)于高達(dá)30瓦的功率水平，是使電源不隔離并使用燈泡外殼作為安全隔離。這允許使用更有效（無變壓器損耗）的簡(jiǎn)單降壓/降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，并使用更低成本的磁性（電感器）。仍然可以使用已經(jīng)描述的LinkSwitch-PH系列器件和Power Integrations的LinkSwitch?-PL系列的單級(jí)組合PFC + CC轉(zhuǎn)換方法。這些器件可配置為用于低壓輸出的高效降壓轉(zhuǎn)換器，提供具有低THD的高PF，并實(shí)現(xiàn)高集成度和簡(jiǎn)單降壓架構(gòu)所固有的節(jié)省。這種方法適用于許多設(shè)計(jì)，尤其適用于高壓應(yīng)用（176 VAC至264 VAC）。

使用盡可能高的LED串電壓獲得高效率，但是，特別是在低壓（90 VAC至132 VAC）應(yīng)用中，這種方法顯示出降壓轉(zhuǎn)換器的局限性。如果輸出串電壓過高，降壓轉(zhuǎn)換器無法提供具有足夠低THD的解決方案以滿足EN61000-3-2（C/D）或達(dá)到20％的典型ATHD限值。通過創(chuàng)建與電壓波形的正弦波形狀緊密匹配的電流波形來實(shí)現(xiàn)低THD。當(dāng)輸入電壓（整流正弦波）超過輸出級(jí)時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器只能將電流傳遞到輸出級(jí)。因此，對(duì)于每個(gè)AC線半周期的一部分，當(dāng)電壓從零上升（并且當(dāng)電壓接近零時(shí)），不會(huì)發(fā)生功率因數(shù)校正并且THD減小。對(duì)于高輸出電壓（在低壓應(yīng)用中超過35 VDC），導(dǎo)通角很短，轉(zhuǎn)換器不再能夠產(chǎn)生符合EN61000-3-2C/D諧波電流限制的電流波形。

對(duì)于高效應(yīng)用中的許多非隔離LED驅(qū)動(dòng)器，使用降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器方法。降壓 - 升壓的一個(gè)固有優(yōu)勢(shì)是無論輸出電壓電平如何，它都可以連續(xù)從AC輸入獲取功率，使輸入電流接近正弦波。兩個(gè)例子證明了這種方法的功效和優(yōu)雅。第一種是長(zhǎng)串LED驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)用于安裝在T8管燈內(nèi)。該電路能夠驅(qū)動(dòng)100 V LED串，但效率超過91％，功率因數(shù)大于0.9，THD超過25％。第二種設(shè)計(jì)使用最少的組件，旨在安裝在小型B10燈罩內(nèi)。

圖3：采用LNK409EG的25 W降壓 - 升壓型LED驅(qū)動(dòng)器原理圖（來源：Power Integrations）。

圖3是采用降壓 - 升壓拓?fù)涞耐暾歉綦x25 W功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器電路。 3 它提供250 mA恒定電流輸出，標(biāo)稱值為100 V，電壓為180 -265 VAC輸入。

物理設(shè)計(jì)非常出色，如圖4和圖5所示。電路板寬19.5毫米，高10毫米。

圖4：填充電路板（來源：Power Integrations）。

圖5：安裝在T8燈管中的LED驅(qū)動(dòng)器（來源：Power Integrations）。

降壓 - 升壓電源電路由U1，輸出二極管D6，輸出電容C5和C7以及輸出電感T1和T2組成。由于管內(nèi)的空間限制，使用兩個(gè)電感器。 T1和T2一起提供所需的降壓 - 升壓電感，T1中的偏置繞組為U1提供電源電流，并為斷開的負(fù)載/過壓關(guān)斷功能提供反饋。

無電流檢測(cè)

LinkSwitch-PH IC提供高精度輸出恒流控制，無需與負(fù)載串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻。 R7-R10，Q1，C6和D5包含一個(gè)電壓 - 電流轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)，可向反饋（FB）引腳提供與輸出電壓成比例的控制電流。二極管D1和C3檢測(cè)峰值A(chǔ)C線電壓。 C3上的電壓以及R3和R4設(shè)置輸入電壓進(jìn)入電壓監(jiān)測(cè)（V）引腳。 U1使用該電流來控制線路欠壓（UV），過壓（OV）和前饋電流。

LinkSwitch-PH器件內(nèi)部控制引擎結(jié)合反饋引腳電流，電壓監(jiān)測(cè)引腳電流和漏極電流信息，在1.5：1輸出電壓變化范圍內(nèi)提供恒定輸出電流（LED串電壓變化± 25％），在固定線路輸入電壓。恒流控制引擎可補(bǔ)償電感容差以及輸入和輸出變化。

低EMI特征是LinkSwitch-PH的連續(xù)導(dǎo)通模式PFC功能和頻率抖動(dòng)的結(jié)果。這種EMI濾波非常簡(jiǎn)單，足夠小，可以安裝在T8燈管的范圍內(nèi)。

Candelabra

第二個(gè)例子中應(yīng)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)是高效率和小尺寸，使驅(qū)動(dòng)器適合裝入燭臺(tái)和B10尺寸燈。

圖6：使用LNK458KG的4.5 W降壓 - 升壓電源（來源：Power Integrations）。

圖6顯示了4.5 W功率因數(shù)校正LED驅(qū)動(dòng)器（非隔離降壓 - 升壓），這次使用Power Integrations的LinkSwitch-PL LNK458KG。 4 LinkSwitch-PL 5 IC與前面討論的LinkSwitch-PH設(shè)備非常相似。它們針對(duì)低功耗，非隔離應(yīng)用（高達(dá)16 W）進(jìn)行了優(yōu)化，并且只需四個(gè)連接即可提供。該控制算法使用直接LED電流檢測(cè)，并且可以使用最少的外部元件支持無閃爍TRIAC調(diào)光。

圖6所示電路從85 -135 VAC輸入提供超過42 - 56 V的90 mA恒流輸出。盡管元件數(shù)量非常少，但LED驅(qū)動(dòng)器的效率超過86％，PF大于0.95，而115 VAC時(shí)THD超過15％。

圖7：填充電路板（來源：Power Integrations）。

圖7中的填充電路板僅寬16 mm，長(zhǎng)28 mm。

設(shè)計(jì)選擇

為了最大限度地減少元件數(shù)量和最大化效率，我們做出了許多重要的設(shè)計(jì)選擇該設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，可在低交流輸入電壓范圍（85-135 VAC和47-63 Hz）下工作。在使用中，驅(qū)動(dòng)器與LED負(fù)載一起封裝在密封的外殼中。非隔離輸出依靠外殼為用戶提供保護(hù)，如果LED輸出失效開路，驅(qū)動(dòng)器將關(guān)閉以防止發(fā)生過壓。

在電路輸入端，EMI濾波由2-π濾波器網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行，該濾波器網(wǎng)絡(luò)由電容器C1，C2，C3和差分扼流圈L1和L2組成。輸入濾波器加上LinkSwitch-PL器件的頻率抖動(dòng)功能可以符合B類發(fā)射限值。有限的總電容保持高功率因數(shù)。

降壓 - 升壓動(dòng)力傳動(dòng)系由U1（電源開關(guān)+控制），D2（續(xù)流二極管），C7（輸出電容）和L3（電感）組成。二極管D1用于防止出現(xiàn)在U1的漏極 - 源極上的負(fù)電壓，特別是在輸入電壓的過零點(diǎn)附近。當(dāng)功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，旁路電容C4為器件提供內(nèi)部電源。輸出電流反饋通過R3上的壓降檢測(cè)，然后通過低通濾波器（R4和C5）進(jìn)行濾波，以保持LinkSwitch-PL IC工作點(diǎn)，使得平均FEEDBACK（FB）引腳電壓為290 mV in穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

只需調(diào)整R3和R5的值即可設(shè)置輸出電流工作點(diǎn)。通過將R3更改為12.7Ω，將R5更改為13Ω，電路將在96 V標(biāo)稱輸出下提供45 mA電流。