用单级LED驱动器改进蜡烛灯设计

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LED灯作为标准白炽灯的插入式替换灯，如今已经成为零售商店中的主要陈列产品。在标准尺寸灯泡的颈部装入LED所需的保护芯片和恒流(CC)驱动电子元件是一项见缝插针式的工作，尤其是对于使用T8灯管或紧凑螺口灯座的照明灯来说更是具有挑战性。在此类应用当中，容纳驱动电子元件的空间极其狭小，这对可使用元件的尺寸和数量都构成了限制。空间不足还加剧了热管理问题，更糟糕的是，LED负载通常放置在与电源相距非常近的位置。为避免过热和随之造成的失效，LED驱动器必须以尽可能高的效率进行工作。
能效法规日益严格

除了提供稳定的恒流输出外，LED驱动器(电源)还必须满足日益严格的能效法规要求，包括功率因数和电源吸收电流的谐波失真。许多LED驱动器解决方案都采用两级设计方法，即在一个升压PFC级后跟一个恒流驱动器(通常为反激式转换器)。升压PFC级通常可实现最大约95%的效率，恒流驱动器通常可实现约90%的效率，从而整体效率达到85%。

这种方法需要用到一个电感、两个功率开关和两个控制器，因此有许多的元件需要装入到狭小的灯壳内。PFC级和反激式转换器都执行类似的功能：分别导通和关断电流、控制输入电流和输出电流波形。如果可以将两个开关动作合并到一个单级，那么只需要一个驱动电路和一个开关级即可，从而能够大量减少元件并大幅提高效率(图1)。


图1：使用集成式PFC和CC转换器的单级LED驱动器。

图2所示正是这样一个电路——单级、集成式PFC和恒流驱动器采用了Power Integrations(PI)公司的一款LinkSwitch-PH IC。该单片器件同时集成了一个725V的功率MOSFET和集成控制与保护电路。


图2：使用LinkSwitch-PH的单级、集成式PFC和CC转换器。

控制PFC和恒流

该控制器将专有的功率因数校正技术与初级侧控制连续导通模式PWM开关功率级相结合。通过将这种控制方法与单片功率MOSFET和相关的驱动电路集成到单个集成电路中，可以大幅减少LED驱动器的元件数。

使用LinkSwitch-PH和图2所示的电路，可以在比等效两级方法需要少得多的元件数的电路中，使15W LED驱动器的转换效率达到90%以上(相当于60W白炽灯泡)。由于输入电流的波形直接由功率开关控制，因此无需使用大容量输入电容。LED驱动器不采用大容量的电解电容，该电容在环境温度不断升高的LED灯中寿命较短，这会给两级设计方案带来诸多问题。
低成本的非隔离式解决方案

尽管隔离反激式转换器极其有效，但它们在效率、尺寸和成本方面却存在一定的局限性。功率变压器中的开关损耗会降低整体效率，而在8W转换器中，电气隔离间隙空间可占电路板总可用面积的15%以上。磁芯的成本也较高，因为变压器必须满足高压隔离要求并采用较昂贵的结构。

一种更简单且成本可能更低的设计方法(功率水平至少高达30W)，是采用非隔离式电源，将灯泡外壳用作安全隔离。这样可以使用简单的降压/降压-升压转换器，这种转换器效率更高(无变压器损耗)且使用更低成本的磁芯(电感器)。此时仍然可以采用单级、集成式PFC和CC转换方法，使用PI的LinkSwitch-PH系列器件(已作介绍)和LinkSwitch-PL系列器件来设计该转换器。这些器件可以配置为效率非常高的低压输出降压转换器，提供高PF和低THD，并从高集成度和简单的降压结构中实现成本节约。这种设计方法对于许多设计都非常有效，尤其是高输入电压的应用(176VAC至264VAC)。

高效率是通过使用尽可能高的LED灯串电压来获得的，但是特别是在低输入电压(90VAC至132VAC)的应用中，这种方法对于降压转换器有一定的局限性。如果输出灯串电压过高，降压转换器就无法提供THD足够低的解决方案，以满足EN61000-3-2(C/D)标准或达到20%的典型ATHD限值。低THD通过产生与电压波形的正弦波非常吻合的电流波形来实现。当输入电压(整流正弦波)超出输出级的电压时，降压转换器只能使电流通过输出级。因此，对于每个AC输入半周期的一部分来说，当电压从零升高时(以及当电压接近零时)，不会进行功率因数校正且THD会降低。对于高输出电压(在低输入电压应用中可能超过35VDC),由于导通角非常小，转换器无法再产生可满足EN61000-3-2C/D谐波电流限值的电流波形。

对于高效率应用中的许多非隔离式LED驱动器来说，可采用降压转换器的方法。降压-升压转换器的一项固有优势是，它可以连续地从AC输入吸收功率，而无论输出电压水平的高低，这样可使输入电流成近似正弦波的状态。我们用两个设计范例来说明这种方法的功效和优势所在。第一个设计是可装入T8灯管的长灯串LED驱动器。该电路能够驱动一个100V的LED灯串，同时其效率超过91%、功率因数大于0.9且THD超过25%。第二个设计使用最少量的元件，可装入小型的B10灯壳。

图3是一个采用降压-升压拓扑结构的完整非隔离式25W功率因数校正LED驱动器电路。它采用180~265VAC的输入电压，以100V的标称输出电压提供250mA恒流驱动。


图3：使用LNK409EG设计的25W降压-升压LED驱动器电路图。

它的物理设计非常出色，如图4和图5所示。电路板仅19.5mm宽、10mm高。


图4：装配后的电路板。


图5：安装到T8灯管内的LED驱动器。


降压-升压电源电路由U1、输出二极管D6、输出电容C5和C7以及输出电感T1和T2构成。由于灯管内空间受限，因而使用了两个电感。T1和T2一起提供所需的降压-升压电感，T1中的偏置绕组向U1提供电源电流，并为断接负载/过压关断功能提供反馈。
无电流检测

LinkSwitch-PH无需使用电流检测电阻与负载串联，便可提供高精度输出恒流控制。R7~R10、Q1、C6和D5形成一个电压-电流转换器网络，为反馈(FB)引脚提供与输出电压成比例的控制电流。二极管D1和C3检测峰值AC线路电压。C3上的电压以及R3和R4设置馈入电压监测(V)引脚的输入电流。U1使用该电流来控制线路欠压(UV)、过压(OV)和前馈电流。

LinkSwitch-PH中的内部控制引擎综合反馈引脚电流、电压监测引脚电流和漏极电流信息，在1.5:1的输出电压变化范围内(LED灯串电压变化为±25%)，以固定的线路输入电压提供恒定输出电流。恒流控制引擎可以补偿电感容差以及输入与输出变化。

低EMI特性是LinkSwitch-PH的连续导通模式PFC功能与频率抖动共同作用的结果。这种EMI滤波比较简单，尺寸小到足以装入T8灯管的狭小空间。

蜡烛灯

第二个范例的设计目标是实现高效率和小尺寸，使驱动器能够装入蜡烛灯和B10型灯内。

图6所示为使用PI的LinkSwitch-PL LNK458KG设计的4.5W功率因数校正LED驱动器(非隔离式降压-升压拓扑结构)。LinkSwitch-PL IC与前面讲到的LinkSwitch-PH器件非常相似。它们都适用于较低功率的非隔离应用(最高功率为16W)，所采用的封装仅有四个连接。控制算法采用直接LED电流检测，可以支持外围元件最少的无闪烁TRIAC(双向晶闸管)调光。


图6：使用LNK458KG 设计的4.5 W降压-升压电源。

图6所示的电路可以在输入电压为85~135VAC的情况下，提供输出电压范围在42~56V的90mA恒流输出。尽管元件数非常少，但LED驱动器却能在115VAC的输入条件下，实现86%以上的效率，同时PF大于0.95、THD超过15%。

图7是装配后的电路板，该电路板仅16mm宽、28mm长。


图7：装配后的电路板。

设计选择

我们做出了许多重要的设计选择，以便尽可能地减少元件数和提高效率。设计经过优化，可以在低AC输入电压范围(85~135VAC、47~63Hz)内进行工作。在使用中，驱动器和LED负载被置于密闭的壳体内。非隔离式输出依靠壳体来为用户提供保护；当LED输出发生开路故障时，驱动器将关断以防止出现过压。

在电路的输入端，EMI滤波由2-π滤波器网络(由电容C1、C2、C3及差模扼流圈L1和L2构成)来执行。输入滤波器与LinkSwitch-PL的频率抖动功能相结合，可使设计满足Class B干扰限值。限定的总电容可维持高功率因数。

降压-升压功率转换电路由U1(功率开关+控制)、D2(续流二极管)、C7(输出电容)以及L3(电感)构成。二极管D1用来防止U1的漏源极两端出现负电压，特别是在输入电压接近过零点时。旁路电容C4在功率MOSFET导通时为器件提供内部电源。输出电流反馈通过R3上的压降来检测，然后由低通滤波器(R4和C5)进行滤波，以维持LinkSwitch-PL的工作点，从而使反馈(FB)引脚在稳态工作时的平均电压为290mV。

只需通过调整R3和R5的值即可设置输出电流工作点。将R3更改为12.7Ω并将R5更改为13Ω后，电路将提供96V、45mA的标称输出。