LED驱动器基本拓扑的设计挑战

在考虑使用LED驱动器将AC输入电压转换为用于LED负载的恒定电流源的拓扑时，将LED应用分为三种功率水平是有帮助的：(1)低功率应用。要求输入低于20W，例如灯条、R灯和白炽灯的替换品;(2)中等功率应用。输入最高为50W，例如天花板筒灯和L灯;(3)高功率应用。要求输入高于50W，例如标牌灯或街灯。设计人员在这三种功率范围内面对不同的挑战组合，包括成本、安装LED驱动器的空间、效率、设计复杂性、功率因数、平均失效时间(mean-time-to-failure, MTTF)以及可靠性，上述只是诸多挑战中的一些。本文将推荐在这三种基本功率范围内使用的基本拓扑以应对设计挑战。

低功率解决方案面向小尺寸照明灯应用，这些应用要求安装LED驱动器的设计体积小，通过控制流过LED的电流来达到稳定的光辐射，并具有高效率和低成本。为了符合“能源之星(Energy Star)”对于照明器具的规划要求，对于住宅灯具的功率因数必须≥0.7，并且对于输入功率大于5W的商业应用，功率因数必须≥ 0.9。

(1)如果不需要LED驱动器隔离，降压调节器拓扑具有最低的BOM成本，因而是可以考虑的低成本解决方案。图1为非隔离降压拓扑示例，包括了功率因数校正和调光能力，仅有一个磁性元件(一个简单电感)和一个单一MOSFET/二极管对，用于降压功率转换。如果输入电压高于LED负载所需的输出电压，此拓扑为最佳选择。

在需要隔离LED驱动器时，一个好的拓扑选择就是初级端调节(primary-side regulated，PSR)反激拓扑;图2是一个PSR反激LED驱动器示例。无需次级端反馈，可以降低成本，因而此拓扑的元件数目较少，可以实现良好的恒定电流调节。控制器中可以集成MOSFET以减少BOM数目及减少印刷线路板空间。因无需使用用于次级反馈的光隔离器PSR反激的可靠性得以提高。

对于PSR反激拓扑，不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)是首选的工作模式，因为它可以更好地调节输出。典型波形如图3所示。

当PSR LED驱动器以恒定电压调节模式工作时，在电感器电流放电时间Tdis期间，输出电压和二极管正向电压降之和被反映至辅助线圈端。因为二极管正向电压降随着通过二极管的输出电流减少而减少，在二极管放电时间Tdis的末端，辅助线圈电压反映了输出电压。通过在二极管放电时间末端对辅助线圈电压进行采样，获得输出电压的信息。

当以恒定电流调节模式工作时，使用峰值漏极电流IPEAK和电感电流放电时间Tdis可以估算输出电流，因为在稳定状态下输出电流与二极管电流的平均值相同。采用飞兆半导体创新的TRUECURRENT?技术，可以精确控制恒定电流输出。

PSR拓扑的效率可以达到85%。作为一个例子，考虑8.4W的应用，LED驱动器的总功率损耗在85VAC输入时测得为1.32W。损耗的支出，最大来自于变压器，估计为0.55W，随后是缓冲电路(如图2所示，二极管与并联的电阻和电容串联，跨接在变压器初级线圈上)，其损耗为0.31W，MOSFET的损耗为0.26W，以及输出整流和桥式整流器一起的0.20W损耗。

(2)变压器和缓冲电路通常是较主要的功率耗散组件，由于来自变压器的漏电感，因而需要缓冲电路来防止电压施压在MOSFET上，假如未注意到这两个设计方面，印刷线路板和输入EMI滤波器也可以成为显著的功率耗散来源。

总体1.32W损耗可能看起来并不是功率损耗的重要来源，但在一个低功率LED驱动器中，LED负载靠近驱动器，因而使设计发热的是总体负载功率加上驱动器损耗。热传递不会选择强制冷却气流，因而上面引用的示例必须使用能够从半导体和电气器件中高效传导8.4W功率的灯具，以便维持可靠性。假如散热解决方案不能够平衡这一功率并保持元件低温，那么，使用电解电容器会减少设计的平均无故障工作时间(MTTF)。

中等功率解决方案仍然要求小体积设计和功率因数校正。在该功率范围内效率和可靠性仍然是重要的设计制约。可使用的良好拓扑是单级功率因数校正反激拓扑，如图4所示。

单级设计减少了元件数目并且无需输入大体积电容器，不仅节省了设计空间，而且也降低了成本。用于功率因数校正控制的反激，使用了次级反馈。采用这些中等功率反激拓扑设计，可实现高达84%的效率。因为拓扑采用反激方式，在该LED驱动器设计中，变压器和缓冲电路仍然是主要的功耗损耗来源。在中等功率范围中，较高的功率水平增加了缓冲电路的功率损耗，因为缓冲电路损耗与变压器漏电感和MOSFET中峰值电流平方的乘积成比例。在该中等功率设计中，变压器的尺寸正在增加，而且MOSFET中的峰值电流也在增加。

大功率解决方案关注最佳的效率和可靠性，合理的成本以及较少的BOM数目。推荐使用两级式LED驱动器。第一级用于功率因数校正，随后是DC-DC转换级来调节恒定电流输出。第一级可以采用与中等功率范围单级PFC反激转换器设计相同的控制器。为了在该两级方法中减少元件数目，在第一级上，控制器集成了一些元件和特性。

这里推荐两种次级DC-DC转换器选择：准谐振反激，用于低于100W的应用，或者LLC拓扑，用于高于100W的应用。反激方案可以达到合理的效率，相对于LLC拓扑选择，它是不太复杂的拓扑。通过降低导通开启时的电容电压，QR拓扑减少了与MOSFET输出电容相关的开关损耗。QR拓扑MOSFET软开关也减少了EMI。然而，对于LLC拓扑，较好的效率归功于MOSFET的零电压开关(zero voltage switching)，而且可以使用小型保持(holdup)电容器。在该两级方法中可以实现高达92%的效率。图5和图6显示了QR和LLC拓扑。请注意图6中的LLC电路使用了变压器的漏电感和磁化电感以建立LLC谐振电路。

大功率应用通常使用多串LED。图6显示了使用次级控制器来平衡通过不同LED串负载的电流。

结论

本文针对三种不同功率范围的离线LED驱动器应用，推荐了不同的拓扑。根据不断增加的LED负载功率水平，提出了降压转换器、PFC单级反激，以及两级PFC反激，并随后提出了QR反激或LLC方案。每种推荐的拓扑方案都基于安装LED驱动器的可用设计空间、效率要求、可靠性、成本和设计复杂性等考虑，能够最好地满足上述限制条件。

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