當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)器需要切相調(diào)光(phasecutdimming)和功率因數(shù)校正等附加功能時(shí),設(shè)計(jì)就會(huì)變得非常復(fù)雜。不帶功率因數(shù)校正功能的非調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器一般包括一個(gè)離線開關(guān)電源,用其進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)恒流輸出。這與標(biāo)準(zhǔn)離線開關(guān)電源和在AC-DC適配器中通用的型號(hào)并無太大差異。這種設(shè)計(jì)可以采用標(biāo)準(zhǔn)的SMPS(開關(guān)電源)電路拓樸,如降壓、升壓或反激式轉(zhuǎn)換器等。
2009年12月3日,美國能源局(DOE)為一體化LED燈項(xiàng)目發(fā)布了"能源之星"規(guī)格的最終版,規(guī)定在美國應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器的功率因數(shù)必須優(yōu)于0.7,而工業(yè)應(yīng)用則預(yù)計(jì)要優(yōu)于0.9。目前市場的許多產(chǎn)品尚不能滿足這樣的要求,因此未來需要用更先進(jìn)的產(chǎn)品來進(jìn)行替代。有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC),每種都要求在電源轉(zhuǎn)換器的前端增加一些附加電路:簡單的低成本無源PFC,以及更復(fù)雜的有源PFC。
在更深入研究這些方法之前,需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是為了獲得"能源之星"評(píng)級(jí),LED驅(qū)動(dòng)必須是可調(diào)光的。
一般而言,這就意味著其可調(diào)性會(huì)源于現(xiàn)有的基于切相工作原理的墻式電子調(diào)光器,這一原理最初是用來設(shè)計(jì)純阻抗白熾燈。盡管其它調(diào)光方法,如線性0-10V調(diào)光或DALI也可能合乎要求,但是它們可能都僅限于高端工業(yè)類LED驅(qū)動(dòng)器。
到目前為止,切相調(diào)光器的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,很顯然,能夠有效調(diào)光的LED燈將具有極大的優(yōu)勢。由于市場上還有許多基于三端雙向可控硅開關(guān)的低成本調(diào)光器,因此保證LED驅(qū)動(dòng)器與所有類別相兼容是不現(xiàn)實(shí)的,特別是許多調(diào)光器僅采用基本設(shè)計(jì),性能十分有限。基于這樣的原因,"能源之星"項(xiàng)目僅要求LED驅(qū)動(dòng)器廠商在一個(gè)網(wǎng)頁中詳細(xì)說明哪些調(diào)光器可以與其產(chǎn)品相兼容。
在"能源之星"規(guī)格中,值得注意的另外一個(gè)要求是LED的工作頻率必須大于150Hz,以消除出現(xiàn)可見閃爍的可能性。這就意味著給LED供電的輸出電流中不能帶有任何大量的頻率是線性頻率(50Hz或60Hz)兩倍的紋波。
在如辦公室照明、公共建筑和街區(qū)照明等離線應(yīng)用中,越來越多的應(yīng)用中采用LED照明,并且在未來幾年里仍將保持這一趨勢。在這些應(yīng)用中,大功率LED會(huì)取代線性或大功率CFL熒光燈、HID燈以及白熾燈。這些應(yīng)用需要一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器,其典型功率范圍為25W至150W。在許多情況中,LED負(fù)載都由一個(gè)的高亮度白光LED陣列組成,通常采用多種形式的芯片封裝。用于驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載的DC電流通常至少為1安培。實(shí)際也有AC電流驅(qū)動(dòng)的LED系統(tǒng),但是一般認(rèn)為DC系統(tǒng)可以為LED提供更理想的驅(qū)動(dòng)條件。
在LED照明設(shè)備中需要進(jìn)行電流隔離,以防止在可以接觸到的地方發(fā)生觸電危險(xiǎn),這種危險(xiǎn)在大多數(shù)情況下都可能發(fā)生,除非采用一個(gè)絕緣的機(jī)械系統(tǒng)。這是由于與日光燈照明設(shè)備等不需要通過絕緣來實(shí)現(xiàn)安全性的產(chǎn)品不同,LED芯片需要與金屬散熱器連接。為了實(shí)現(xiàn)良好的熱傳導(dǎo)性,需要在LED芯片和散熱器之間形成熱障,這樣就無需通過添加絕緣材料來滿足絕緣要求。因此,在LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部形成絕緣就是最佳選擇,同時(shí)也說明了電源轉(zhuǎn)換器拓樸技術(shù)是可行的。
兩種可能方案分別是反激式轉(zhuǎn)換器或包括一個(gè)PFC級(jí)的多級(jí)轉(zhuǎn)換器,然后是絕緣和降壓級(jí),最后是后端電流調(diào)整級(jí)。兩種方案之中,反激式因其相對(duì)簡易且成本較低,應(yīng)用比較廣泛。
反激式轉(zhuǎn)換器為許多應(yīng)用提供了良好的解決方案(圖1),然而,它卻具有如下的局限性:有限的功率因數(shù)校正能力;在寬輸入電壓范圍上效率有限;兩倍線頻(<150Hz))時(shí)的輸出紋波很難消除;需要通過附加電路進(jìn)行調(diào)光。
盡管多級(jí)設(shè)計(jì)(圖2)的額外成本限制了其在高端產(chǎn)品中的應(yīng)用,但這種設(shè)計(jì)卻可以克服其中的一些問題。在較寬的AC輸出電壓范圍內(nèi),其可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和較低的總諧波失真(THD),從而使相同的LED驅(qū)動(dòng)器可以利用110V、120V、220V、240V或277V的主電源供電。
能夠在很寬的范圍上保持高效率,而不是使效率在一個(gè)特定線負(fù)載點(diǎn)上達(dá)到峰值,但在不同的條件下卻又大幅下降。同時(shí),它也更易于降低150Hz下的紋波輸出,多級(jí)系統(tǒng)使其自身能夠更加高效的采用不同的調(diào)光方式。
本文其余部分將深入探討寬電壓輸入范圍、絕緣、可調(diào)光、穩(wěn)壓DC輸出多級(jí)LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原則,主要針對(duì)25W至150W范圍的應(yīng)用。該實(shí)例中的多級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器將分為三個(gè)部分:前端,功率因數(shù)校正(PFC)部分;絕緣和步降部分;后端,電流調(diào)制部分。
前端部分包括一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器,配置采用一個(gè)功率因數(shù)校正做預(yù)調(diào)節(jié),在輸出端提供一個(gè)高壓DC總線,在電壓或負(fù)載的各種變化范圍上,將其穩(wěn)定到一個(gè)固定的電壓。由于穩(wěn)壓控制回路響應(yīng)很慢,使得AC線頻率的許多周期都會(huì)受到負(fù)載變化的影響,它只吸收了一個(gè)基本的正弦線輸入電流。這個(gè)電路典型一般工作在臨界導(dǎo)通模式,否則就被認(rèn)為是轉(zhuǎn)換模式。在這種模式中,PWM關(guān)斷周期和由此形成的開關(guān)頻率是可變的,所以,當(dāng)存儲(chǔ)在升壓電感器中的所有能量傳輸?shù)捷敵龆藭r(shí),新的開關(guān)周期才開始。這種共振工作模式被廣泛應(yīng)用,而且由于它的開關(guān)損耗最小,從而實(shí)現(xiàn)了高效率。在指定的功率范圍內(nèi)使用這種設(shè)計(jì)是最佳方式。
中間級(jí)將高壓DC總線電壓(典型值在475V左右)轉(zhuǎn)換成為適用于驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載的低壓輸出。基于安全方面的考慮,LED負(fù)載通常采用低壓驅(qū)動(dòng),因此驅(qū)動(dòng)電路通常最小值為1安培。這里所推薦的絕緣和降壓級(jí)配置是一種諧振半橋,包括一對(duì)用相互反相的信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)MOSFET。高頻降壓變壓器初級(jí)繞阻的一端接到這兩個(gè)開關(guān)管的的中點(diǎn),而另一端與DC總線至地回路的電容分頻網(wǎng)絡(luò)相連接。通過這種方式,變壓器初級(jí)可以看到一個(gè)正負(fù)電壓振幅相等的方波。二次繞阻將采用中心抽頭,這樣兩個(gè)二極管整流器即可用于將輸出電流轉(zhuǎn)換到DC。其中輸出電流高到可以用MOSFET取代整流二極管,從而作為同步整流系統(tǒng)的方式運(yùn)行。在采用3安培電流的典型應(yīng)用中,在30度的環(huán)境溫度下,同步MOSFET的表面溫度比采用相同封裝的肖特基二極管的溫度更低。
我們可以看出,隨著電流要求的增長,同步整流的熱優(yōu)勢就變得更為顯著。最后,還需要一個(gè)平滑電容,以產(chǎn)生絕緣的低紋波DC電壓。這個(gè)電容的容值為數(shù)十法拉的級(jí)別,因此要采用陶瓷電容器。
為了使半橋級(jí)效率更高,在設(shè)計(jì)中,應(yīng)該使其工作在諧振模式,其中MOSFET在零電壓(ZVS)條件下開關(guān)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就必須保證一個(gè)MOSFET關(guān)斷而另一個(gè)MOSFET開啟之間有一個(gè)短時(shí)延,并且在這段時(shí)延電壓從一個(gè)軌整流換向到另一條軌的中間點(diǎn)。這是因?yàn)殡姼衅髦心芰康尼尫挪⑼ㄟ^MOSFET中的體二極管進(jìn)行傳導(dǎo)。變壓器的初級(jí)設(shè)計(jì)中,有必要保持足夠的漏電感,從而可以存儲(chǔ)更多的能量,從而可以進(jìn)行能量交換。
這樣,變壓器的設(shè)計(jì)就會(huì)變得更加復(fù)雜,而避免這些問題的一個(gè)簡單方法就是采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器設(shè)計(jì),無需為其設(shè)計(jì)增加額外的漏電感,僅僅需要增加一個(gè)與初級(jí)電感平行的另外一個(gè)電感來促進(jìn)能量交換。這個(gè)額外的電感也可以用于幫助基于三端雙向可控開關(guān)的調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光操作,并為調(diào)整提供了額外的成本和空間。我們還將對(duì)此做進(jìn)一步的探討。這樣的電感器可以采用開氣隙磁芯或開口磁芯來增加儲(chǔ)能。
LED驅(qū)動(dòng)器的后端級(jí)包括帶有短路保護(hù)功能的電流調(diào)制電路。這可以通過一個(gè)線性調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn),但僅采用這種方式還不夠,它只適用于低輸出電流,不可用于多級(jí)系統(tǒng)。備選方案是一個(gè)簡單的降壓穩(wěn)壓器電路,利用電流反饋來限制每個(gè)超過目標(biāo)LED驅(qū)動(dòng)電流的輸出電流。這樣可以補(bǔ)償在溫度和器件容差帶來的總的LED正向電壓的變化,同時(shí)也限制了短路或其它故障情況下的電流,保護(hù)驅(qū)動(dòng)器不受損傷。
在多個(gè)輸出級(jí)都與由前一級(jí)供電的單獨(dú)的隔離DC電壓相連接時(shí),也可以采用多級(jí)通道的方式。因?yàn)樵谶@樣的設(shè)計(jì)中,一個(gè)通道出現(xiàn)輸出短路不會(huì)妨礙其它通道的正常運(yùn)行。而且,這還允許將幾個(gè)通道的調(diào)制電流提供給不同的LED陣列,并且省去了對(duì)于連接平行LED陣列的需要。眾所周知,如果LED不能在相近的溫度條件下有相似的正向壓降,那么并行連接LED將會(huì)出現(xiàn)問題,這時(shí)采用帶有多個(gè)獨(dú)立輸出的驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢就顯而易見了。
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TRIAC調(diào)光器的缺點(diǎn)
現(xiàn)有的大多數(shù)調(diào)光器一般可采用前沿切相方式工作,采用一個(gè)非常簡單的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路。這些調(diào)光器最初設(shè)計(jì)只是與作為電阻負(fù)載的白熾燈一起使用。
三端雙向可控硅開關(guān)器件是一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān),它只有當(dāng)給其第三個(gè)門極加脈沖使其觸發(fā)之后,其兩個(gè)主要端子之間可以任何一個(gè)方向傳導(dǎo)電流。這個(gè)脈沖可以具有任意一個(gè)極性,因此易于通過一個(gè)基本的RC計(jì)時(shí)電路進(jìn)行創(chuàng)建。其工作原理包括:
在AC線周期的一個(gè)點(diǎn)上觸發(fā)三端雙向可控硅開關(guān),這樣它將一直導(dǎo)通到周期的結(jié)束,周期結(jié)束時(shí)線性電壓降為零,接著流經(jīng)三端雙向可控硅開關(guān)電流也將為零,三端雙向可控硅開關(guān)會(huì)再次關(guān)閉。三端雙向可控硅開關(guān)器件具有最小的額定保持電流,低于這個(gè)電流,開關(guān)將關(guān)閉。調(diào)節(jié)電路中的電位器控制調(diào)節(jié)器電路中三端雙向可控硅開關(guān)的開通點(diǎn),并且通過實(shí)現(xiàn)調(diào)光改變整體的平均AC電流。
然而,即使它們包括一個(gè)功率因數(shù)校正前端,LED轉(zhuǎn)換器和其它電源或電子鎮(zhèn)流器也不會(huì)成為調(diào)光器的純電阻負(fù)載。當(dāng)調(diào)光水平被降低時(shí),調(diào)光器中的三端雙向可控硅開關(guān)可能會(huì)不規(guī)律被激發(fā)或錯(cuò)過開關(guān)周期。影響這種性能的因素非常復(fù)雜,由于我們已經(jīng)找到了一個(gè)簡單的解決方案,可以在多級(jí)系統(tǒng)中最大程度的克服這種問題,因此在這里沒有必要進(jìn)行深入分析。
無需將降壓變壓器的初級(jí)側(cè)中的整流換向電感器返回到電容分壓器的中點(diǎn),電流即可以通過一個(gè)DC分隔電容器流回到線輸入。這就在AC線循環(huán)結(jié)束前,提供了少量的額外電流,這些電流將使三端雙向可控硅開關(guān)處于開啟狀態(tài),并使其在所要求的調(diào)光范圍內(nèi)運(yùn)行。這一解決方案通過利用那些將被浪費(fèi)的電流,通過基于三端雙向可控硅開關(guān)的調(diào)光器幫助調(diào)光。(圖3)
利用這種方式調(diào)光是切實(shí)可行的,因?yàn)殡S著調(diào)光級(jí)別的降低,前端級(jí)的輸出總線電壓也在降低。這就使得次級(jí)電壓也下降,由于LED負(fù)載有固定的總壓降,電壓中的一個(gè)微小變化也將引起電流以及光輸出的巨大變化。
通過這種方式,實(shí)現(xiàn)了LED的線性調(diào)光,由此滿足了更為復(fù)雜的PWM調(diào)光電路的要求并避免了可能的專利侵權(quán)。盡管調(diào)光器兼容性需要損失一定的效率,但多級(jí)配置仍是更高性能LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的絕佳選擇。
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