|
現今的LED照明已具備了多元化的應用場(chǎng)合，從簡(jiǎn)單的白熾燈或冷陰極熒光燈(CCFL)替代品，到新的建筑、工業(yè)、醫療和其他應用。為了在應用中最佳化匹配燈和光亮，不同的LED照明應用通常都有相對應的性能標準要求。 為了驅動(dòng)LED，工程師可以從琳瑯滿(mǎn)目的驅動(dòng)器架構中挑選，然而每一架構都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對具體應用的適應能力有好有壞。選擇驅動(dòng)器架構時(shí)需考慮的因素有很多，其中成本占據首要位置，其次是隔離、調光、閃爍、色溫、功率因數、可靠性、熱管理等問(wèn)題。 基本的LED驅動(dòng)器架構有幾種：次級側控制、初級側控制、隔離式/非隔離式。此外，功率因數控制(PFC)也是在許多應用中的一個(gè)主要性能考慮因素，其解決方案由帶PFC功能的兩級或單級驅動(dòng)器，或不帶PFC功能的單級驅動(dòng)器(主要用于功率低于5W的應用)組成。因此，整個(gè)驅動(dòng)器子系統就是一系列權衡下的結果，目的是降低物料清單(BOM)成本，實(shí)現最高效率，同時(shí)提供調光功能，打造一款溫度可控、具備故障保護功能的產(chǎn)品。 基本的驅動(dòng)器架構 為了實(shí)現最佳的隔離和控制，次級側控制架構監測輸出電壓/電流，并通過(guò)一個(gè)光隔離通路向初級側驅動(dòng)器提供反饋信號(圖1)。該反饋信號使次級側控制器能夠提供較好的電流及電壓控制精度。更簡(jiǎn)單的初級側控制方案消除了次級側控制器和光隔離信號通路，從而降低了系統成本，在提高系統性能的同時(shí)，縮減了系統尺寸。在這種方案中，初級側驅動(dòng)器通過(guò)初級側波形分析確定輸出電流和電壓(圖1)。取決于分析的質(zhì)量，初級側控制可以做到匹敵甚至超越次級側調節及性能，因此是當今隔離式LED驅動(dòng)器常用的解決方案。 圖1：兩種常見(jiàn)的LED驅動(dòng)器方案采用了次級側控制(上圖)和初級側控制(下圖)。次級側控制具備較好的電流及電壓控制精度，但初級側控制可減少元器件數量和系統尺寸，同時(shí)提高性能。 基本的初級側控制電路通過(guò)輸出級變壓器實(shí)現了隔離。但是，為了減少元器件成本，非隔離方案采用電感器替代變壓器，并能采用降壓控制器替代初級側驅動(dòng)器反激電路(圖2)。在非隔離方案中，控制機制得到了簡(jiǎn)化，但為了防止輸入與輸出間短路，該電路要求更加復雜的物理隔離。目前，大多數LED驅動(dòng)器設計采用的是隔離式架構。在未來(lái)一兩年內，電路設計領(lǐng)域的進(jìn)步將可提供更進(jìn)一步降低成本的方案。 圖2：初級側驅動(dòng)器可通過(guò)在輸出級使用變壓器，設計成隔離式配置；或通過(guò)使用電感器替代輸出變壓器，并選用降壓控制器替代反激電路，設計成非隔離配置。 功率因數基礎知識 當輸入電壓和電流同相，輸入電壓和電流波形一致時(shí)，功率因數為理想的“1”。當輸入電壓和輸入電流波形之間的相位差增大時(shí)，功率因數將下降，系統效率也將降低。但是，升壓轉換器內置了電流波形控制功能，它能跟蹤輸入電壓波形，從而維持近乎為1的功率因數。 為了提高功率因數，可以在初級側驅動(dòng)器電路和控制電路之前增加一個(gè)兩級功率因數校正(PFC)升壓電路(圖3)。PFC電路還消除了因2倍線(xiàn)路頻率而導致的閃爍問(wèn)題。在示例中，輸出級采用了反激轉換器，為iW3616的驅動(dòng)器電路提供隔離。該驅動(dòng)器芯片采用的初級側檢測技術(shù)，在不使用次級側反饋電路的情況下，實(shí)現了卓越的線(xiàn)路電壓和LED負載電流調節，同時(shí)消除了光隔離器反饋環(huán)路。此外，iW3616的實(shí)時(shí)周期波形分析技術(shù)還提高了調光器的設置響應速度。數字控制環(huán)路在無(wú)需環(huán)路補償器件的情況下，也能保持整體工作條件的穩定。 0.95)。"> 圖3：通過(guò)在iW3616數字功率控制器中增加兩級功率因數校正升壓電路，可以讓驅動(dòng)器電路實(shí)現無(wú)閃爍調光和極高的功率因數(>0.95)。 PFC也可以在單級初級側驅動(dòng)和控制電路中實(shí)現。在此類(lèi)系統中，驅動(dòng)器通過(guò)調制輸入阻抗控制輸入電流波形，從而調節功率因數。 兩級PFC架構在有效消除輸出紋波的同時(shí)，實(shí)現了近乎完美的PFC，因此可大幅改善LED燈中的閃爍問(wèn)題。但是，兩級升壓電路需要更多元器件，因此實(shí)現成本也較高。與此相比，雖然具備PFC功能的單級驅動(dòng)器通過(guò)調制輸入阻抗提高了功率因數，但隨著(zhù)功率因數的升高，輸出紋波(閃爍)也將增多。為了補償，必須通過(guò)提高外部電容值來(lái)減少閃爍。在不需要PFC調節的情況下，簡(jiǎn)單的單級初級側驅動(dòng)器可采用傳統的反激轉換器架構來(lái)降低成本。 很多應用還要求驅動(dòng)器電路能夠對接調光器，但由于市場(chǎng)上已經(jīng)存在多種調光技術(shù)—TRIAC型前沿和后沿調光器、復雜的電子調光器，以及低壓(0V～10V)線(xiàn)性控制或脈寬調制亮度控制調光器(主要用于商用系統中)—工程師必須解決很多問(wèn)題。新型數字化解決方案能夠分析出調光器的類(lèi)型，然后運用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的算法控制調光。此類(lèi)解決方案還能消除因短脈沖信號干擾而導致的閃爍。與此相比，傳統的TRIAC型調光器易受誤觸發(fā)的影響，并有可能產(chǎn)生不平衡的半周期輸出。 所有TRIAC型調光器都有最小保持電流要求，以保持TRIAC導通，但并非所有的LED驅動(dòng)器電路都具備調光能力。對于那些有調光能力的LED驅動(dòng)器電路，驅動(dòng)器必須載入調光器，以保持TRIAC持續導通。雖然較高的負載可提高調光器的兼容性，但其高負載電流將降低電路效率。為了重新提高效率，可以用一個(gè)BJT或MOSFET替代驅動(dòng)器的負載電阻，讓驅動(dòng)器自動(dòng)校準泄放電流，以確保安全工作區的精準電流控制，并利用升壓/PFC電路現有的BJT或MOSFET降低成本。 方案選擇 由于面臨眾多選擇，工程師通常需要仔細比較，整理出LED驅動(dòng)解決方案應該具備的最佳功能組合�；镜臎Q定因素可能首先是調光或非調光和功耗要求。之后，其他需求可能包括：有PFC或無(wú)PFC(取決于應用)、尺寸要求(解決方案是否適合具體的空間或印刷電路板區域)、可靠性/工作壽命、可容忍的閃爍量(越低越好)。 為了降低BOM成本，應考慮減少元器件數量，采用初級側控制，盡量降低EMI元器件數量，然后深入地檢查元器件成本—采用BJT而不是MOSFET用于驅動(dòng)器，縮減散熱器的尺寸和材料。在某種程度上，這些選擇也與系統可靠性和工作壽命有關(guān)—元器件運行溫度越低，系統工作壽命就越長(cháng)，尤其是對于電解電容器和LED等元器件自身而言。不幸的是，工程師很少知道LED燈的具體使用情況，因此，良好的溫控設計就顯得尤其重要。如果散熱器的尺寸設計不合理，通風(fēng)不好的封閉式設備有可能導致熱量累積和過(guò)早失效。 此外，電路保護功能有助于防范熱失控、短路等重大熔斷故障—驅動(dòng)器是否內置溫度檢測功能，或能否添加一個(gè)溫度傳感器？借助溫度傳感器，驅動(dòng)器電路能夠實(shí)現復雜的熱閉環(huán)—當溫度高于最高指標時(shí)，通過(guò)降低LED電流，從而降低功耗和溫度。在極端情況下，驅動(dòng)器還能關(guān)閉，達到保護自身的目的。很多驅動(dòng)器電路還提供了附加的故障保護功能，例如LED短路和開(kāi)路檢測、過(guò)壓保護、軟啟動(dòng)，以及電流檢測電阻短路保護。 所有選擇都可以歸納為幾條與功率因數和閃爍問(wèn)題有關(guān)的設計經(jīng)驗法則：如果功率因數和閃爍不重要的話(huà)，則使用一個(gè)不具備PFC功能的單級初級側驅動(dòng)器；如果功率因數重要的話(huà)，則使用一個(gè)具備PFC功能的單級驅動(dòng)器；但如果功率因數和閃爍都很重要的話(huà)，最佳選擇是一個(gè)具備PFC功能的兩級驅動(dòng)器。 工程師有很多基本架構可以選擇，通過(guò)對比它們的優(yōu)缺點(diǎn)，就能為目標應用挑選出最佳的驅動(dòng)器解決方案。 |
