实现高效线性调光的高性能多级LED驱动设计

通用照明应用的基本LED驱动器相对简单，但是当需要切相调光（phase cut dimming）和功率因数校正等附加功能时，设计就将会变得非常复杂。不带功率因数校正功能的非调光LED驱动器一般包括一个离线开关电源，用其进行调节以实现恒流输出。这与标准离线开关电源和在AC-DC适配器中通用的型号并无太大差异。这种设计可以采用标准的SMPS（开关电源）电路拓朴，如降压、升压或反激式转换器等。　　 　　2009年12月3日，美国能源局（DOE）为一体化LED灯项目发布了“能源之星”规格的最终版，规定在美国应用的LED驱动器的功率因数必须优于0.7,而工业应用则预计要优于0.9.目前市场的许多产品尚不能满足这样的要求，因此未来需要用更先进的产品来进行替代。有两种方式可以实现功率因数校正（PFC），每种都要求在电源转换器的前端增加一些附加电路：简单的低成本无源PFC,以及更复杂的有源PFC。　　 　　在更深入研究这些方法之前，需要强调的一点是为了获得“能源之星”评级， LED驱动必须是可调光的。　　 　　一般而言，这就意味着其可调性会源于现有的基于切相工作原理的墙式电子调光器，这一原理最初是用来设计纯阻抗白炽灯。尽管其它调光方法，如线性0-10V调光或DALI也可能合乎要求，但是它们可能都仅限于高端工业类LED驱动器。到目前为止，切相调光器的应用相当广泛，很显然，能够有效调光的LED灯将具有极大的优势。由于市场上还有许多基于三端双向可控硅开关的低成本调光器，因此保证LED驱动器与所有类别相兼容是不现实的，特别是许多调光器仅采用基本设计，性能十分有限。基于这样的原因，“能源之星”项目仅要求LED驱动器厂商在一个网页中详细说明哪些调光器可以与其产品相兼容。　　 　　在“能源之星” 规格中，值得注意的另外一个要求是LED的工作频率必须大于150Hz,以消除出现可见闪烁的可能性。这就意味着给LED供电的输出电流中不能带有任何大量的频率是线性频率（50Hz或60Hz）两倍的纹波。 　　在如办公室照明、公共建筑和街区照明等离线应用中，越来越多的应用中采用LED照明，并且在未来几年里仍将保持这一趋势。在这些应用中，大功率LED会取代线性或大功率CFL荧光灯、HID灯以及白炽灯。这些应用需要一个LED驱动器，其典型功率范围为25W至150W.在许多情况中，LED负载都由一个的高亮度白光LED阵列组成，通常采用多种形式的芯片封装。用于驱动这些负载的DC电流通常至少为1安培。实际也有AC电流驱动的LED系统，但是一般认为DC系统可以为LED提供更理想的驱动条件。　　 　　在LED照明设备中需要进行电流隔离，以防止在可以接触到的地方发生触电危险，这种危险在大多数情况下都可能发生，除非采用一个绝缘的机械系统。这是由于与日光灯照明设备等不需要通过绝缘来实现安全性的产品不同，LED芯片需要与金属散热器连接。为了实现良好的热传导性，需要在LED芯片和散热器之间形成热障，这样就无需通过添加绝缘材料来满足绝缘要求。因此，在LED驱动器内部形成绝缘就是最佳选择，同时也说明了电源转换器拓朴技术是可行的。　　 　　两种可能方案分别是反激式转换器或包括一个PFC级的多级转换器，然后是绝缘和降压级，最后是后端电流调整级。两种方案之中，反激式因其相对简易且成本较低，应用比较广泛。 　　反激式转换器为许多应用提供了良好的解决方案（图1），然而，它却具有如下的局限性：有限的功率因数校正能力；在宽输入电压范围上效率有限；两倍线频（《150Hz））时的输出纹波很难消除；需要通过附加电路进行调光。 　　尽管多级设计（图2）的额外成本限制了其在高端产品中的应用，但这种设计却可以克服其中的一些问题。在较宽的AC输出电压范围内，其可以实现高功率因数和较低的总谐波失真（THD），从而使相同的LED驱动器可以利用110V、120V、220V、240V或277V的主电源供电。 图2:采用多级转换器的LED调光 　　能够在很宽的范围上保持高效率，而不是使效率在一个特定线负载点上达到峰值，但在不同的条件下却又大幅下降。同时，它也更易于降低150Hz下的纹波输出，多级系统使其自身能够更加高效的采用不同的调光方式。　　 　　本文其余部分将深入探讨宽电压输入范围、绝缘、可调光、稳压DC输出多级LED驱动设计原则，主要针对25W至150W范围的应用。该实例中的多级LED驱动器将分为三个部分：前端，功率因数校正（PFC）部分；绝缘和步降部分；后端，电流调制部分。　　 　　前端部分包括一个升压转换器，配置采用一个功率因数校正做预调节，在输出端提供一个高压DC总线，在电压或负载的各种变化范围上，将其稳定到一个固定的电压。由于稳压控制回路响应很慢，使得AC线频率的许多周期都会受到负载变化的影响，它只吸收了一个基本的正弦线输入电流。 　　这个电路典型一般工作在临界导通模式，否则就被认为是转换模式。在这种模式中，PWM关断周期和由此形成的开关频率是可变的，所以，当存储在升压电感器中的所有能量传输到输出端时，新的开关周期才开始。这种共振工作模式被广泛应用，而且由于它的开关损耗最小，从而实现了高效率。在指定的功率范围内使用这种设计是最佳方式。 　　中间级将高压DC总线电压（典型值在475V左右）转换成为适用于驱动LED负载的低压输出。基于安全方面的考虑，LED负载通常采用低压驱动，因此驱动电路通常最小值为1安培。这里所推荐的绝缘和降压级配置是一种谐振半桥，包括一对用相互反相的信号驱动开关MOSFET.高频降压变压器初级绕阻的一端接到这两个开关管的的中点，而另一端与DC总线至地回路的电容分频网络相连接。 　　通过这种方式，变压器初级可以看到一个正负电压振幅相等的方波。二次绕阻将采用中心抽头，这样两个二极管整流器即可用于将输出电流转换到DC.其中输出电流高到可以用MOSFET取代整流二极管，从而作为同步整流系统的方式运行。在采用3安培电流的典型应用中，在30度的环境温度下，同步MOSFET的表面温度比采用相同封装的肖特基二极管的温度更低。　　 　　我们可以看出，随着电流要求的增长，同步整流的热优势就变得更为显着。最后，还需要一个平滑电容，以产生绝缘的低纹波DC电压。这个电容的容值为数十法拉的级别，因此要采用陶瓷电容器。　　 　　为了使半桥级效率更高，在设计中，应该使其工作在谐振模式，其中MOSFET在零电压（ZVS）条件下开关。要实现这一点就必须保证一个MOSFET关断而另一个MOSFET开启之间有一个短时延，并且在这段时延电压从一个轨整流换向到另一条轨的中间点。这是因为电感器中能量的释放并通过MOSFET中的体二极管进行传导。变压器的初级设计中，有必要保持足够的漏电感，从而可以存储更多的能量，从而可以进行能量交换。 　　这样，变压器的设计就会变得更加复杂，而避免这些问题的一个简单方法就是采用一个标准的高频变压器设计，无需为其设计增加额外的漏电感，仅仅需要增加一个与初级电感平行的另外一个电感来促进能量交换。这个额外的电感也可以用于帮助基于三端双向可控开关的调光器进行调光操作，并为调整提供了额外的成本和空间。我们还将对此做进一步的探讨。这样的电感器可以采用开气隙磁芯或开口磁芯来增加储能。　　 　　LED驱动器的后端级包括带有短路保护功能的电流调制电路。这可以通过一个线性调制电路来实现，但仅采用这种方式还不够，它只适用于低输出电流，不可用于多级系统。备选方案是一个简单的降压稳压器电路，利用电流反馈来限制每个超过目标LED驱动电流的输出电流。这样可以补偿在温度和器件容差带来的总的LED正向电压的变化，同时也限制了短路或其它故障情况下的电流，保护驱动器不受损伤。　 　　在多个输出级都与由前一级供电的单独的隔离DC电压相连接时，也可以采用多级通道的方式。因为在这样的设计中，一个通道出现输出短路不会妨碍其它通道的正常运行。而且，这还允许将几个通道的调制电流提供给不同的LED阵列，并且省去了对于连接平行LED阵列的需要。众所周知，如果LED不能在相近的温度条件下有相似的正向压降，那么并行连接LED将会出现问题，这时采用带有多个独立输出的驱动器的优势就显而易见了。　　 　　TRIAC调光器的缺点　　 　　现有的大多数调光器一般可采用前沿切相方式工作，采用一个非常简单的基于三端双向可控硅开关的电路。这些调光器最初设计只是与作为电阻负载的白炽灯一起使用。三端双向可控硅开关器件是一个半导体开关，它只有当给其第三个门极加脉冲使其触发之后，其两个主要端子之间可以任何一个方向传导电流。这个脉冲可以具有任意一个极性，因此易于通过一个基本的RC计时电路进行创建。 　　其工作原理包括在AC线周期的一个点上触发三端双向可控硅开关，这样它将一直导通到周期的结束，周期结束时线性电压降为零，接着流经三端双向可控硅开关电流也将为零，三端双向可控硅开关会再次关闭。三端双向可控硅开关器件具有最小的额定保持电流，低于这个电流，开关将关闭。调节电路中的电位器控制调节器电路中三端双向可控硅开关的开通点，并且通过实现调光改变整体的平均AC电流。　　 　　然而，即使它们包括一个功率因数校正前端，LED转换器和其它电源或电子镇流器也不会成为调光器的纯电阻负载。当调光水平被降低时，调光器中的三端双向可控硅开关可能会不规律被激发或错过开关周期。影响这种性能的因素非常复杂，由于我们已经找到了一个简单的解决方案，可以在多级系统中最大程度的克服这种问题，因此在这里没有必要进行深入分析。 　　无需将降压变压器的初级侧中的整流换向电感器返回到电容分压器的中点，电流即可以通过一个DC分隔电容器流回到线输入。这就在AC线循环结束前，提供了少量的额外电流，这些电流将使三端双向可控硅开关处于开启状态，并使其在所要求的调光范围内运行。这一解决方案通过利用那些将被浪费的电流，通过基于三端双向可控硅开关的调光器帮助调光。（图3） 图3:前端和带有调光电荷泵的半桥 　　利用这种方式调光是切实可行的，随着调光级别的降低，前端级的输出总线电压也在降低。这就使得次级电压也下降，由于LED负载有固定的总压降，电压中的一个微小变化也将引起电流以及光输出的巨大变化。通过这种方式，实现了LED的线性调光，满足了更复杂的PWM调光电路的要求并避免了可能的专利侵权。尽管调光器兼容性需要损失一定的效率，但多级配置仍是更高性能LED驱动器设计的绝佳选择。