高壓、高亮度LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　由于現(xiàn)在各國(guó)都在不斷減少白熾燈泡的使用而且各大公司也都意識(shí)到轉(zhuǎn)向使用一些替代照明方法可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而這其中發(fā)光二極管 （LED） 和緊湊型熒光燈 （CFL） 便是主要的選擇，因此對(duì)于低成本、低環(huán)境影響照明解決方案的需求比以往任何時(shí)候都要強(qiáng)烈。雖然差異明顯，但上述兩種替代照明方法都較為可行。CFL 照明的主要缺點(diǎn)是較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間和較低的亮度調(diào)節(jié)性能，但相比 LED 解決方案其成本極低。另一方面，LED 具有“快速開啟”特性且亮度調(diào)節(jié)性能較好，但因成本問題普及較慢。半導(dǎo)體廠商們不斷制造新的 LED 驅(qū)動(dòng)器組件，旨在降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。同時(shí)，LED 廠商不斷提升高亮度 LED 的功效（發(fā)光效率），目的是減少要求 LED 數(shù)目，以及降低調(diào)節(jié)它們所需的功耗。

　　這種創(chuàng)新之一是使用高壓、高亮度 （HVHB） LED。這些 LED 要求更高的電壓來啟動(dòng)電流，從而開始發(fā)光。這些新型 LED 面臨著許多新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來了許多新的機(jī)遇。盡管一開始只是為直接通過 AC 線自驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)，但諸如低效率、低功率因數(shù)和不可調(diào)節(jié)等因素限制了它們的應(yīng)用數(shù)量。

　　從圖1，我們可以看到直接通過 AC 線驅(qū)動(dòng)這些 LED 存在許多問題。為了滿足整個(gè)電壓范圍要求（90-135 Vac 或者 207-253 Vac），正向壓降 （Vf） 必須為最低 AC 電壓或者更低。這就意味著電壓位于量程上限時(shí)，限流電阻器電壓下降。這樣便產(chǎn)生損耗，極大地降低了效率。它還會(huì)產(chǎn)生熱，從而限制 LED 的使用壽命。

　　現(xiàn)在，讓我們來看圖1 所示開啟時(shí)間。由于 LED 僅在達(dá)到或者超出 Vf 時(shí)導(dǎo)通，因此僅有峰值電壓用于發(fā)光。如此小的總 AC 時(shí)間百分比時(shí)，功率因數(shù)會(huì)非常的低（遠(yuǎn)低于美國(guó)、歐洲和印度要求的額定值，讓它們無法用于這些國(guó)家的住宅和商業(yè)照明應(yīng)用）。這就是說，如果要滿足這些 LED 的峰值功率需求的話，電力公司需要提供超出正常工作所要求的電量。最后，由于大多數(shù)調(diào)光器（TRIAC 或電子類產(chǎn)品）都是通過對(duì)提供給燈的 AC 波形進(jìn)行限幅處理來工作的，因此僅在燈導(dǎo)通的短暫時(shí)間內(nèi)進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。這就意味著，亮度調(diào)節(jié)范圍的 90% 以上時(shí)，燈可以為全部開啟，也可以為全部關(guān)閉。

　　圖1無驅(qū)動(dòng)器的HVHB LED 特性

　　綜上所述，相比其低壓版本，HVHB LED 擁有許多優(yōu)點(diǎn)。從驅(qū)動(dòng)器的角度來說，通過一個(gè)升壓功率因數(shù)校正 （PFC） 電源就可以將它們較好地直接驅(qū)動(dòng)（請(qǐng)參見圖 2）。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過將電流消耗與 AC 電壓波形匹配來控制提供給負(fù)載的電量，從而確保了較好的功率因數(shù)（一般為 .97 或者更好）。使用這種 PFC，其很容易便超出了 .7 或 .9 的管理機(jī)構(gòu)規(guī)定，而在美國(guó)、歐洲和印度銷售商業(yè)和住宅照明燈具時(shí)必須要遵守這一規(guī)定。提高輸入電壓的另一個(gè)好處是能夠獲得足夠高的電壓，以便可以使用某種電源設(shè)計(jì)（無論輸入電壓大小）。所以，可以實(shí)現(xiàn)一種通用輸入 LED 燈 （90-253 Vac）。過去，通用輸入也存在一些折中和妥協(xié)。同時(shí)滿足 120 Vac 和 220 Vac 應(yīng)用要求的設(shè)計(jì)具有一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)、一次制造和一種采購(gòu)項(xiàng)目的好處。但是，要實(shí)現(xiàn)這些，您必須讓設(shè)計(jì)能夠處理高于 110 Vac 運(yùn)行需要的電壓，以及高于高壓應(yīng)用需要的更大電流。相比針對(duì)每個(gè)電壓范圍的優(yōu)化解決方案，這就相當(dāng)于更高的材料清單 （BOM） 成本和更大的組件。

　　高壓還意味著給定輸出功率的低電流。例如，要構(gòu)建一個(gè) 380 Vdc 總 Vf 的 16W LED 光源（使用 4 個(gè)串聯(lián)/并聯(lián) 4W LED），要求電流僅為 42 mA。這種低電流意味著更小的存儲(chǔ)電容，從而允許使用長(zhǎng)壽命低成本的陶瓷電容器。使用這種電容器可以增加整體光源的壽命，因?yàn)樗恍枰娊赓|(zhì)電容器。典型的“長(zhǎng)壽命”電解質(zhì)電容標(biāo)稱使用壽命為 20000 小時(shí)，但在過熱情況下會(huì)急劇縮短，而 LED 擁有長(zhǎng)達(dá) 50000 小時(shí)的壽命。在諸如路燈、頂棚照明以及其他高環(huán)境溫度照明應(yīng)用中，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

　　從效率方面來看，開關(guān)模式 LED 驅(qū)動(dòng)器的主要損耗組件是 LED 本身：開關(guān)電源（IC）、驅(qū)動(dòng) FET 和整流器。讓開關(guān)頻率維持在一個(gè)合理的頻率（例如：150 KHz）可以最小化 FET 的開關(guān)損耗，同時(shí)整流器中低電流就意味著低功耗。90% 以上的效率是可以達(dá)到的，其在整個(gè) VIN 范圍僅稍有不同。

　　通過下列幾種方法可以達(dá)到功率因數(shù)校正：

　　1）有源法：利用一個(gè)具有內(nèi)置算法的 IC，讓電流消耗與輸入電壓匹配；

　　2）填谷法：要求路由二極管和存儲(chǔ)電容在 AC 輸入處在過渡階段時(shí)提供電流；

　　3）自然法：一般為間斷運(yùn)行反向結(jié)構(gòu)的一個(gè)開關(guān)式電源即 SMPS。