考虑PFC相位控制调光 多级LED驱动器脱颖而出

　　目前设计一般的基本发光二极管(LED)驱动器照明应用相对较简单，但是如果还需要其他功能如相位控制调光和功率因子校正(PFC)，设计就变得复杂。无功率因子校正功能的非调光LED驱动器通常包含一个脱机式开关电源，用于在恒定电流下调节输出。

　　这与标准脱机式开关电源如交流对直流(AC/DC)适配器内常用的类型，差别不大。这类设计基于标准交换式电源供应器(SMPS)电路拓扑，如降压、升压和逆向变换器。  

　　新标准驱策LED调光技术突破 

　　2009年12月3日，美国能源部(DOE)发布了最终版《整体式LED灯能源之星认证》要求家用LED驱动器的功率因子必须高于0.7。工业应用要求预计高于0.9。目前，市面上的很多产品均无法满足这些要求，因此将来势必须要更先进的设计。有两种基本功率因子校正方法：低成本的无源功率因子校正(被动式PFC)和有源功率因素校正(主动式PFC)。前者较简单，后者较复杂，但这两种方法均要求在转换器的前端安装其他电路。  

　　在深入探讨这些方法之前，应该提到的是，为了达到能源之星的标准，LED驱动器还必须具有调光功能。  

　　这通常意味着，可以利用基于相位控制工作原理(其最初设计应用于纯电阻式白炽灯)的现有壁式调光器进行调光。虽然其他调光方法如线性0~10伏特调光，或数字寻址照明接口(DALI)可能也符合要求，但其很可能仅限于高端工业类LED驱动器。相位控制调光器是目前为止使用最广泛的调光器，很明显这对于利用其为LED灯实现调光功能具有重要优势。由于市面上存在着大量基于三端双向可控硅开关的低成本调光器，所以实际上LED驱动器无法保证与各种类型的调光器都兼容，特别是在很多调光器都采用最基本的设计且性能有限的情况下。为此，能源之星项目要求，LED驱动器制造商须在其网站上明确说明产品与哪些调光器兼容。 

 　　另一个值得一提的能源之星要求是，为排除闪烁的可能性，LED工作频率必须高于150Hz。这意味着，为LED供电的输出电流可能不包括两倍于线路频率(50或60Hz)的频率下的大量涟波。 
 
　　脱机应用(如办公室照明、公共建筑与街道照明等)越来越多采用LED照明，预计今后几年这种状态会持续下去。在这些应用中，大功率LED取代了线性或大功率荧光灯(CFL)、金属卤化物(HID)和高压钠灯和白炽灯。这些应用需要LED驱动器，其功率通常介于25～150瓦(W)之间。很多情况下，LED负载由多组包装成数组芯片形式的高亮度白光LED组成。驱动这些负载所需的直流电流通常不低于1安培。也有交流电流驱动LED系统，但是我们通常认为直流系统能够为LED提供更好的驱动条件。  

　　多级转换器打造LED多元调光方案 

　　在LED照明器具中，须要进行电镀绝缘处理以便防止在可以使用LED(多数情况下都会如此，除非使用了机械绝缘系统)的地方发生电击事件。这是因为与不须要进行绝缘处理就很安全的荧光灯支架不同，LED芯片须要连接到金属散热器上。为了实现较高的热导率，必须在LED锻模和散热器之间安装隔热层，从而排除了在中间添加厚度以满足绝缘要求的绝缘材料的可能性。因此，最佳选择是在LED驱动器内部实现绝缘，这样就需要合适的功率变换器架构。  

　　有两种可能，即返驰式转换器(图1)和多级转换器(图2)，后者包括PFC级、绝缘和步降级与后端电流调节级。两者中，返驰式转换器更常用，因为其相对简单，并且成本较低。返驰式转换器为众多应用提供了良好的解决方案，然而其具有下列局限性：功率因子校正能力有限。在宽输入电压范围内，效率有限。在两倍交流电频率(<150Hz)的频率下的输出纹波可能无法轻松消除。需要其他电路方可实现调光功能。   

 
图1 返驰式变换器简图

 
图2 多级转换器简图

　　多级的设计能够克服其中的一些问题，尽管碍于附加成本限制其在更高阶的产品中的应用。例如多级的设计可以在较宽的交流输入电压范围内实现高功率因子和低总谐波失真(THD)，从而让同一个LED驱动器能够在110伏特、120伏特、220伏特、240伏特或277伏特等电源下运行。  

　　多级的设计亦可以在该范围(而非峰值)内保持高效率，并不会在特定负载点，且效率不会因条件不同而大幅降低。多级系统更让设计容易降低150Hz下的输出涟波，并且能够更有效地帮助实现不同的调光方法。  

　　以下将详细探讨25～150瓦应用的、宽输入电压范围、绝缘、可调光、稳压直流输出、多级LED驱动器方案设计。而本例中的多级LED驱动器可以划分为三部分：前端的PFC部分、中间绝缘与步降部分以及后端的电流调节部分。  

　　实现高发光效率　多级LED驱动器应运而生 

　　前端部分包括一个升压转换器，其被配置为功率因子校正前置调节器，可以在调节成随线路或负载变化而输出电压固定不变的高压直流准位。由于调节控制回路反应很慢，需要很多个交流频率周期方可对线路负载变化做出反应，所以其会吸收正弦线路输入电流。该电路一般在临界导通模式(亦即转换模式)下运行。  

　　在该模式下，脉冲宽度调变(PWM)处于关断状态，因此操作频率可变，以至于在新切换周期时储存在升压电感器内的所有能量都被转移到输出端时。该谐振操作模式得到了广泛使用，并且由于具有最低的开关损耗而实现了高效率。最好在要求的功率范围内使用。中间级将高压直流准位电压(475伏特左右，典型值)转换为适于驱动LED负载的低压输出。为了安全起见，正常情况下利用低压驱动LED负载，因此驱动电流通常不低于1安培。  

　　绝缘和步降级的推荐配置是谐振半桥，其由一对相互反相驱动的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关组成。这些开关的中心点为高频步降变压器原线圈的一端供电，另一端则连接到直流网络和零伏回路之间的电容分压器网络上。这样，变压器原线圈就会经历正、负极性振幅相等的矩形波电压。 

　　次级线圈有中心抽头，这样就可以利用一个双二极管整流器将输出再转换为直流。在输出电流足够高的地方，整流二极管可以被用作同步整流系统的MOSFET所取代。  

　　在工作电流为3安培的典型应用中，测得同步MOSFET的表面温度为30℃，低于采用同种封装的萧特基二极管。可以看出，随着电流要求的提高，同步整流的散热优势就变得很重要。最后，需要平滑电容器来产生低纹波绝缘直流电压。电容约为几十微法，因此可以使用陶瓷电容器。 
 
　　为了让半桥级能够有效运行，其应该设计成在谐振模式下运行，这样MOSFET就会发生在零电压(ZVS)时切换。只须保证满足下列两个条件就可以实现：一个MOSFET切换、与另一个对等的MOSFET组件接通之间有较短的延迟，和中点处的电压在该延迟期间从一端转换到了另一端上，进而释放存储在电感器内的能量透过MOSFET的二极管导通，这种情况就发生了。变压器的原线圈必须具有足够的漏电感方可储存足够能量以进行整流。  

　　而为避免变压器设计复杂化，可透过使用不会为设计增加漏电感的标准高频变压器设计，以及单独为原线圈并联一个电感器以便简化整流。设计师还可以用这个电感器帮助基于三端交流硅控开关的调光器实现调光操作，从而为额外成本和空间提供正当理由。而为简化能量储存，这种电感器可以采用有隙铁心，也可以采用开口铁心。  

　　LED驱动器的后端架构包含一个具有短路保护功能的电流调节电路。可以利用线性调节电路达到这一目的，然而这种方法本身效率低下，因此只适于低输出电流，通常不会应用到多级架构中去。替代方法是使用简单的、具有电流回馈功能的降压稳压器电路，以便限制输出电流超过期望的LED驱动电流。其抵消了总LED正向电压随温度和器件容差的变化，还限制了出现短路或其他故障条件时的电流，从而能够保护驱动器免遭损坏。  

　　在将若干输出级连接到上一级提供的单个绝缘直流电压上的地方，多通道方法也是可行的。其很有优势，因为采用这种配置，如果其中一条通道的输出端发生了断路状况，其他通道依然能够正常运行，并且其允许调节电流的几条通道为不同的LED数组供电，毋须并联LED数组。众所周知，并联LED仍有瓶颈，除非LED在相似的温度下运行、具有类似的正向电压降，所以具有多个独立输出的驱动器优势明显。 

  　　三端交流硅控开关加持　调光操作轻松上手
 
　　大多数常见调光器通过利用基于三端双向硅控开关的简单电路，进行前缘相位舍弃来实现调光操作。这些调光器原本设计用于白炽灯泡(其属于纯电阻负载)。三端交流硅控开关组件是一种半导体开关，只有在其被施加到第三个栅极终端上的脉冲启动之后，其才会在两个主端子之间沿任一方向传导电流。该脉冲可以具有任何极性，因此易于利用建立基本RC时序电路。 
 
　　克服无规律地启动/周期错过　开关简化调光设计 

　　工作原理包括在交流周期内的某个点启动三端交流硅控开关，以便在周期结束、线路电压降至0伏特之前传导电流，然后电流流过三端交流硅控开关，导致其再一次关断。三端交流硅控开关组件具有最小的额定保持电流，低于该值其就会关断。调整电路内的准位可以控制调光器电路内三端交流硅控开关的启动点，改变通过的总平均交流电流，从而实现调光操作(图3)。 

  
 
图3 带有调光电荷泵的前端和半桥

　　然而，即使其包含前端功率因子校正，LED转换器和其他电源或电子镇流器也不一定就是调光器的纯电阻负载。因此，调光等级降低时，调光器内的三端交流硅控开关倾向于无规律地启动和错过周期。  

　　影响这一性能的因素十分复杂，但不必深究，因为我们找到了在很大程度上可以克服多级系统问题的简单解决方案。  

　　毋须回到步降变压器初级端和电容分压器中点之间的整流电感器，电流可以穿过直流隔离电容器，重新回到线路输入端。其提供了少量附加电流，可以在交流线路周期结束前防止三端交流硅控开关断开，并且让其能够按照要求在调光范围内运行。该解决方案利用可能会被浪费的电流、通过基于三端交流硅控开关的调光器简化了调光操作。  

　　这种调光方式行得通，因为随着调光器等级的降低，来自于前端级的输出电压也会降低。这样，次级电压也会降低，并且由于LED负载具有固定的总电压降，所以电压小幅变化会导致电流和光输出大幅变化。  

　　上述方法可以实现LED的线性调光，从而消除了对更复杂的PWM调光电路的需求，避免了可能发生的专利侵权行为。虽然调光器兼容性会降低效率，但是在需要更高性能的情况下，多级配置仍保留了LED驱动器设计的优势。