降低LED照明开关电源待机功耗方法的探讨

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介绍
        与普通光源相比，LED灯具有效率高、环保和使用寿命长的特性，因而它们正在成为降低室内和外部照明能耗的主选解决方案。设计用于照明供电的开关电源也应该具有高效率，以便顺应LED灯的节能特性。除了在正常工作过程中具有高功率转换效率之外，开关电源的待机功耗也成为LED业界的普遍关注焦点。在 不远的将来，待机功耗有望调整到1W甚至300mW以下。然而，在LED照明应用中，专用于待机电源的辅助功率级并不适用，主要是因为照明应用在工作期间 不存在待机条件。但是，为灯泡供电的开关电源即便在没有灯或者灯已损坏的条件下仍然与电网连接并吸取能量。这是在照明应用中关心待机功率水平的主要原因。
         
        在空的办公楼中，待机功耗特性不良的照明系统是不环保的，本文探讨如何引入简单的辅助电路来降低待机功耗。所提议的电路能够实现功率因数校正 （PFC）级的间歇工作，该PFC级是降低照明开关电源的待机功耗所必需的。为了评估所提议的电路，我们设计了一个额定功率为120W的两级开关电源，在 宽泛的输入电压范围下可以获得低于1W的待机功耗。
         
        两级配置
        由于额定功率的原因和改善功率因数的需求，LED街灯的 开关电源通常使用两级配置，它由第一级的PFC模块和第二级的下游DC-DC转换器构成。在100W左右的中等功率范围，临界导通模式（CRM）是PFC 级合适的控制方案。在这个额定功率范围中，下游DC-DC转换器通常采用准谐振反激拓扑。高度集成的FAN6300脉宽调制（PWM）控制器具有一个内部 波谷电压检测器，能够保证电源系统在宽泛的线路电压范围内工作于准谐振状态，并减小开关损 耗，使功率MOSFET漏极上的开关电压最小化。为了最大限度减小待机功耗和改善轻负载效率，专有的绿色模式功能提供关断时间（off-time）调制， 以便降低开关频率，并执行延长的波谷电压开关，保证MOSFET在关断时漏-源电压保持在最低水平。使用这项特性，第二DC-DC级在无负载条件下进入间 歇工作模式，能够获得非常理想的待机功耗特性。大多数现有的PFC控制器并无间歇工作功能，主要是因为PFC级最初针对消费应用和显示器应用，而在那些应 用中为PFC和DC-DC级提供电压源的辅助电源是分离的。在LED照明应用中，通常不采用辅助功率级，因此，应该关断PFC级，否则待机功耗无法低于 1W.
         
        PFC级的间歇工作模式
        在两级开关电源中，应关断PFC级，以满足待机功耗法规的要求。关断PFC级的主要原因是大多数PFC控制器没有间歇工作（Burst- operation）特性。如果PFC控制器不支持间歇工作模式，PFC级将会连续工作，即便在无负载条件下也会吸取能量。因此，对于带有现有PFC控制 器的两级开关电源设计而言，关断PFC级是唯一可行的方法。但是，在重新启动PFC级时会出现大的冲击电流，并导致MOSFET等功率开关上电压或电流应 力的增加。此外，还会导致LED灯在恒流工作期间出现闪烁。业界需要找到一种新途径来满足待机功耗法规要求，同时避免上述问题。解决完全关断PFC级带来 的这些副作用的一个可行方法是PFC级采用间歇工作方式。
         
        建议使用一种简单的辅助电路，将PFC的工作与准谐振反激DC-DC转换器进行同步，因为当DC-DC转换器开始间歇工作时，PFC级也能够进 入间歇工作模式。一旦第二级反激转换器结束间歇模式工作，PFC级会立即退出间歇工作模式。图1为该辅助电路的工作原理。PFC级的偏置电源受到准谐振反 激DC-DC转换器反馈的控制。

       

        图1:建议的实现PFC级间歇工作的电路

        在无负载条件下，当反激转换器的反馈电压下降时，PFC级的电源电压被切断，PFC控制器停止工作。图2显示负载从满负载到无负载，再到满负载过程 中的工作波形。一旦第二级反激转换器进入间歇工作，PFC级便进入间歇工作模式，并与反激转换器同步停止间歇工作模式。通过对PFC级执行间歇工作，可以 消除可能引起潜在问题的大浪涌电流，并且大幅降低待机功耗。为了评测PFC级的间歇工作，使用FAN7930临界导通模式PFC控制器、带间歇工作功能的 准谐振反激控制器FAN6300A以及所提议的PFC控制电路，设计了一个用于LED街灯的的120W（48V/2.5A） LEB-016演示线路板。如图2所示，建议的电路工作出色。表1所示为在各种输入线路电压下的待机功耗测量值。可以证明：在宽泛的输入范围内，可以使待 机功耗降低80%以上。还可以在高线路输入电压下获得低于0.3W的待机功耗。
         

       

        图2:进入间歇工作（左图）并返回到满负载工作（右图）

         

       

        表1:待机功耗

        结论
        这是一种简单但非常有效的改善照明开关电源待机功耗的方法。这个建议的电路可以使PFC级与第二级DC-DC转换器同步进行间歇工作。这种方法 消除了与关闭和重启PFC级相关的涌入电流问题。建议的电路可以有效降低待机功耗。通过评测线路板验证，在较宽的输入电压范围内，可以使待机功耗小于 1W.所提议的方法对于通常没有待机功率调节模块的照明应用具有很大的吸引力。
         
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