實(shí)現(xiàn)高效線性調(diào)光的高性能多級LED驅(qū)動設(shè)計(jì)

通用照明應(yīng)用的基本LED驅(qū)動器相對簡單，但是當(dāng)需要切相調(diào)光（phase cut dimming）和功率因數(shù)校正等附加功能時，設(shè)計(jì)就將會變得非常復(fù)雜。不帶功率因數(shù)校正功能的非調(diào)光LED驅(qū)動器一般包括一個離線開關(guān)電源，用其進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)恒流輸出。這與標(biāo)準(zhǔn)離線開關(guān)電源和在AC-DC適配器中通用的型號并無太大差異。這種設(shè)計(jì)可以采用標(biāo)準(zhǔn)的SMPS（開關(guān)電源）電路拓樸，如降壓、升壓或反激式轉(zhuǎn)換器等?！　? 　　2009年12月3日，美國能源局（DOE）為一體化LED燈項(xiàng)目發(fā)布了“能源之星”規(guī)格的最終版，規(guī)定在美國應(yīng)用的LED驅(qū)動器的功率因數(shù)必須優(yōu)于0.7,而工業(yè)應(yīng)用則預(yù)計(jì)要優(yōu)于0.9.目前市場的許多產(chǎn)品尚不能滿足這樣的要求，因此未來需要用更先進(jìn)的產(chǎn)品來進(jìn)行替代。有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正（PFC），每種都要求在電源轉(zhuǎn)換器的前端增加一些附加電路：簡單的低成本無源PFC,以及更復(fù)雜的有源PFC。　　 　　在更深入研究這些方法之前，需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是為了獲得“能源之星”評級， LED驅(qū)動必須是可調(diào)光的。　　 　　一般而言，這就意味著其可調(diào)性會源于現(xiàn)有的基于切相工作原理的墻式電子調(diào)光器，這一原理最初是用來設(shè)計(jì)純阻抗白熾燈。盡管其它調(diào)光方法，如線性0-10V調(diào)光或DALI也可能合乎要求，但是它們可能都僅限于高端工業(yè)類LED驅(qū)動器。到目前為止，切相調(diào)光器的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，很顯然，能夠有效調(diào)光的LED燈將具有極大的優(yōu)勢。由于市場上還有許多基于三端雙向可控硅開關(guān)的低成本調(diào)光器，因此保證LED驅(qū)動器與所有類別相兼容是不現(xiàn)實(shí)的，特別是許多調(diào)光器僅采用基本設(shè)計(jì)，性能十分有限?；谶@樣的原因，“能源之星”項(xiàng)目僅要求LED驅(qū)動器廠商在一個網(wǎng)頁中詳細(xì)說明哪些調(diào)光器可以與其產(chǎn)品相兼容?！　? 　　在“能源之星” 規(guī)格中，值得注意的另外一個要求是LED的工作頻率必須大于150Hz,以消除出現(xiàn)可見閃爍的可能性。這就意味著給LED供電的輸出電流中不能帶有任何大量的頻率是線性頻率（50Hz或60Hz）兩倍的紋波。 　　在如辦公室照明、公共建筑和街區(qū)照明等離線應(yīng)用中，越來越多的應(yīng)用中采用LED照明，并且在未來幾年里仍將保持這一趨勢。在這些應(yīng)用中，大功率LED會取代線性或大功率CFL熒光燈、HID燈以及白熾燈。這些應(yīng)用需要一個LED驅(qū)動器，其典型功率范圍為25W至150W.在許多情況中，LED負(fù)載都由一個的高亮度白光LED陣列組成，通常采用多種形式的芯片封裝。用于驅(qū)動這些負(fù)載的DC電流通常至少為1安培。實(shí)際也有AC電流驅(qū)動的LED系統(tǒng)，但是一般認(rèn)為DC系統(tǒng)可以為LED提供更理想的驅(qū)動條件?！　? 　　在LED照明設(shè)備中需要進(jìn)行電流隔離，以防止在可以接觸到的地方發(fā)生觸電危險，這種危險在大多數(shù)情況下都可能發(fā)生，除非采用一個絕緣的機(jī)械系統(tǒng)。這是由于與日光燈照明設(shè)備等不需要通過絕緣來實(shí)現(xiàn)安全性的產(chǎn)品不同，LED芯片需要與金屬散熱器連接。為了實(shí)現(xiàn)良好的熱傳導(dǎo)性，需要在LED芯片和散熱器之間形成熱障，這樣就無需通過添加絕緣材料來滿足絕緣要求。因此，在LED驅(qū)動器內(nèi)部形成絕緣就是最佳選擇，同時也說明了電源轉(zhuǎn)換器拓樸技術(shù)是可行的?！　? 　　兩種可能方案分別是反激式轉(zhuǎn)換器或包括一個PFC級的多級轉(zhuǎn)換器，然后是絕緣和降壓級，最后是后端電流調(diào)整級。兩種方案之中，反激式因其相對簡易且成本較低，應(yīng)用比較廣泛。 　　反激式轉(zhuǎn)換器為許多應(yīng)用提供了良好的解決方案（圖1），然而，它卻具有如下的局限性：有限的功率因數(shù)校正能力；在寬輸入電壓范圍上效率有限；兩倍線頻（《150Hz））時的輸出紋波很難消除；需要通過附加電路進(jìn)行調(diào)光。 　　盡管多級設(shè)計(jì)（圖2）的額外成本限制了其在高端產(chǎn)品中的應(yīng)用，但這種設(shè)計(jì)卻可以克服其中的一些問題。在較寬的AC輸出電壓范圍內(nèi)，其可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和較低的總諧波失真（THD），從而使相同的LED驅(qū)動器可以利用110V、120V、220V、240V或277V的主電源供電。 圖2:采用多級轉(zhuǎn)換器的LED調(diào)光 　　能夠在很寬的范圍上保持高效率，而不是使效率在一個特定線負(fù)載點(diǎn)上達(dá)到峰值，但在不同的條件下卻又大幅下降。同時，它也更易于降低150Hz下的紋波輸出，多級系統(tǒng)使其自身能夠更加高效的采用不同的調(diào)光方式?！　? 　　本文其余部分將深入探討寬電壓輸入范圍、絕緣、可調(diào)光、穩(wěn)壓DC輸出多級LED驅(qū)動設(shè)計(jì)原則，主要針對25W至150W范圍的應(yīng)用。該實(shí)例中的多級LED驅(qū)動器將分為三個部分：前端，功率因數(shù)校正（PFC）部分；絕緣和步降部分；后端，電流調(diào)制部分?！　? 　　前端部分包括一個升壓轉(zhuǎn)換器，配置采用一個功率因數(shù)校正做預(yù)調(diào)節(jié)，在輸出端提供一個高壓DC總線，在電壓或負(fù)載的各種變化范圍上，將其穩(wěn)定到一個固定的電壓。由于穩(wěn)壓控制回路響應(yīng)很慢，使得AC線頻率的許多周期都會受到負(fù)載變化的影響，它只吸收了一個基本的正弦線輸入電流。 　　這個電路典型一般工作在臨界導(dǎo)通模式，否則就被認(rèn)為是轉(zhuǎn)換模式。在這種模式中，PWM關(guān)斷周期和由此形成的開關(guān)頻率是可變的，所以，當(dāng)存儲在升壓電感器中的所有能量傳輸?shù)捷敵龆藭r，新的開關(guān)周期才開始。這種共振工作模式被廣泛應(yīng)用，而且由于它的開關(guān)損耗最小，從而實(shí)現(xiàn)了高效率。在指定的功率范圍內(nèi)使用這種設(shè)計(jì)是最佳方式。 　　中間級將高壓DC總線電壓（典型值在475V左右）轉(zhuǎn)換成為適用于驅(qū)動LED負(fù)載的低壓輸出?；诎踩矫娴目紤]，LED負(fù)載通常采用低壓驅(qū)動，因此驅(qū)動電路通常最小值為1安培。這里所推薦的絕緣和降壓級配置是一種諧振半橋，包括一對用相互反相的信號驅(qū)動開關(guān)MOSFET.高頻降壓變壓器初級繞阻的一端接到這兩個開關(guān)管的的中點(diǎn)，而另一端與DC總線至地回路的電容分頻網(wǎng)絡(luò)相連接。 　　通過這種方式，變壓器初級可以看到一個正負(fù)電壓振幅相等的方波。二次繞阻將采用中心抽頭，這樣兩個二極管整流器即可用于將輸出電流轉(zhuǎn)換到DC.其中輸出電流高到可以用MOSFET取代整流二極管，從而作為同步整流系統(tǒng)的方式運(yùn)行。在采用3安培電流的典型應(yīng)用中，在30度的環(huán)境溫度下，同步MOSFET的表面溫度比采用相同封裝的肖特基二極管的溫度更低?！　? 　　我們可以看出，隨著電流要求的增長，同步整流的熱優(yōu)勢就變得更為顯著。最后，還需要一個平滑電容，以產(chǎn)生絕緣的低紋波DC電壓。這個電容的容值為數(shù)十法拉的級別，因此要采用陶瓷電容器。　　 　　為了使半橋級效率更高，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該使其工作在諧振模式，其中MOSFET在零電壓（ZVS）條件下開關(guān)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就必須保證一個MOSFET關(guān)斷而另一個MOSFET開啟之間有一個短時延，并且在這段時延電壓從一個軌整流換向到另一條軌的中間點(diǎn)。這是因?yàn)殡姼衅髦心芰康尼尫挪⑼ㄟ^MOSFET中的體二極管進(jìn)行傳導(dǎo)。變壓器的初級設(shè)計(jì)中，有必要保持足夠的漏電感，從而可以存儲更多的能量，從而可以進(jìn)行能量交換。 　　這樣，變壓器的設(shè)計(jì)就會變得更加復(fù)雜，而避免這些問題的一個簡單方法就是采用一個標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器設(shè)計(jì)，無需為其設(shè)計(jì)增加額外的漏電感，僅僅需要增加一個與初級電感平行的另外一個電感來促進(jìn)能量交換。這個額外的電感也可以用于幫助基于三端雙向可控開關(guān)的調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光操作，并為調(diào)整提供了額外的成本和空間。我們還將對此做進(jìn)一步的探討。這樣的電感器可以采用開氣隙磁芯或開口磁芯來增加儲能。　　 　　LED驅(qū)動器的后端級包括帶有短路保護(hù)功能的電流調(diào)制電路。這可以通過一個線性調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)，但僅采用這種方式還不夠，它只適用于低輸出電流，不可用于多級系統(tǒng)。備選方案是一個簡單的降壓穩(wěn)壓器電路，利用電流反饋來限制每個超過目標(biāo)LED驅(qū)動電流的輸出電流。這樣可以補(bǔ)償在溫度和器件容差帶來的總的LED正向電壓的變化，同時也限制了短路或其它故障情況下的電流，保護(hù)驅(qū)動器不受損傷?！? 　　在多個輸出級都與由前一級供電的單獨(dú)的隔離DC電壓相連接時，也可以采用多級通道的方式。因?yàn)樵谶@樣的設(shè)計(jì)中，一個通道出現(xiàn)輸出短路不會妨礙其它通道的正常運(yùn)行。而且，這還允許將幾個通道的調(diào)制電流提供給不同的LED陣列，并且省去了對于連接平行LED陣列的需要。眾所周知，如果LED不能在相近的溫度條件下有相似的正向壓降，那么并行連接LED將會出現(xiàn)問題，這時采用帶有多個獨(dú)立輸出的驅(qū)動器的優(yōu)勢就顯而易見了?！　? 　　TRIAC調(diào)光器的缺點(diǎn)　　 　　現(xiàn)有的大多數(shù)調(diào)光器一般可采用前沿切相方式工作，采用一個非常簡單的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路。這些調(diào)光器最初設(shè)計(jì)只是與作為電阻負(fù)載的白熾燈一起使用。三端雙向可控硅開關(guān)器件是一個半導(dǎo)體開關(guān)，它只有當(dāng)給其第三個門極加脈沖使其觸發(fā)之后，其兩個主要端子之間可以任何一個方向傳導(dǎo)電流。這個脈沖可以具有任意一個極性，因此易于通過一個基本的RC計(jì)時電路進(jìn)行創(chuàng)建。 　　其工作原理包括在AC線周期的一個點(diǎn)上觸發(fā)三端雙向可控硅開關(guān)，這樣它將一直導(dǎo)通到周期的結(jié)束，周期結(jié)束時線性電壓降為零，接著流經(jīng)三端雙向可控硅開關(guān)電流也將為零，三端雙向可控硅開關(guān)會再次關(guān)閉。三端雙向可控硅開關(guān)器件具有最小的額定保持電流，低于這個電流，開關(guān)將關(guān)閉。調(diào)節(jié)電路中的電位器控制調(diào)節(jié)器電路中三端雙向可控硅開關(guān)的開通點(diǎn)，并且通過實(shí)現(xiàn)調(diào)光改變整體的平均AC電流?！　? 　　然而，即使它們包括一個功率因數(shù)校正前端，LED轉(zhuǎn)換器和其它電源或電子鎮(zhèn)流器也不會成為調(diào)光器的純電阻負(fù)載。當(dāng)調(diào)光水平被降低時，調(diào)光器中的三端雙向可控硅開關(guān)可能會不規(guī)律被激發(fā)或錯過開關(guān)周期。影響這種性能的因素非常復(fù)雜，由于我們已經(jīng)找到了一個簡單的解決方案，可以在多級系統(tǒng)中最大程度的克服這種問題，因此在這里沒有必要進(jìn)行深入分析。 　　無需將降壓變壓器的初級側(cè)中的整流換向電感器返回到電容分壓器的中點(diǎn)，電流即可以通過一個DC分隔電容器流回到線輸入。這就在AC線循環(huán)結(jié)束前，提供了少量的額外電流，這些電流將使三端雙向可控硅開關(guān)處于開啟狀態(tài)，并使其在所要求的調(diào)光范圍內(nèi)運(yùn)行。這一解決方案通過利用那些將被浪費(fèi)的電流，通過基于三端雙向可控硅開關(guān)的調(diào)光器幫助調(diào)光。（圖3） 圖3:前端和帶有調(diào)光電荷泵的半橋 　　利用這種方式調(diào)光是切實(shí)可行的，隨著調(diào)光級別的降低，前端級的輸出總線電壓也在降低。這就使得次級電壓也下降，由于LED負(fù)載有固定的總壓降，電壓中的一個微小變化也將引起電流以及光輸出的巨大變化。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了LED的線性調(diào)光，滿足了更復(fù)雜的PWM調(diào)光電路的要求并避免了可能的專利侵權(quán)。盡管調(diào)光器兼容性需要損失一定的效率，但多級配置仍是更高性能LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)的絕佳選擇。