高壓、高亮度LED驅動設計

由于現在各國都在不斷減少白熾燈泡的使用而且各大公司也都意識到轉向使用一些替代照明方法可以實現節能，而這其中發光二極管 (LED) 和緊湊型熒光燈 (CFL) 便是主要的選擇，因此對于低成本、低環境影響照明解決方案的需求比以往任何時候都要強烈。雖然差異明顯，但上述兩種替代照明方法都較為可行。CFL 照明的主要缺點是較長的啟動時間和較低的亮度調節性能，但相比 LED 解決方案其成本極低。另一方面，LED 具有“快速開啟”特性且亮度調節性能較好，但因成本問題普及較慢。半導體廠商們不斷制造新的 LED 驅動器組件，旨在降低系統復雜度和成本。同時，LED 廠商不斷提升高亮度 LED 的功效(發光效率)，目的是減少要求 LED 數目，以及降低調節它們所需的功耗。

這種創新之一是使用高壓、高亮度 (HVHB) LED。這些 LED 要求更高的電壓來啟動電流，從而開始發光。這些新型 LED 面臨著許多新的挑戰，同時也帶來了許多新的機遇。盡管一開始只是為直接通過 AC 線自驅動而設計，但諸如低效率、低功率因數和不可調節等因素限制了它們的應用數量。

從圖1，我們可以看到直接通過 AC 線驅動這些 LED 存在許多問題。為了滿足整個電壓范圍要求(90-135 Vac 或者 207-253 Vac)，正向壓降 (Vf) 必須為最低 AC 電壓或者更低。這就意味著電壓位于量程上限時，限流電阻器電壓下降。這樣便產生損耗，極大地降低了效率。它還會產生熱，從而限制 LED 的使用壽命。

現在，讓我們來看圖1 所示開啟時間。由于 LED 僅在達到或者超出 Vf 時導通，因此僅有峰值電壓用于發光。如此小的總 AC 時間百分比時，功率因數會非常的低(遠低于美國、歐洲和印度要求的額定值，讓它們無法用于這些國家的住宅和商業照明應用)。這就是說，如果要滿足這些 LED 的峰值功率需求的話，電力公司需要提供超出正常工作所要求的電量。最后，由于大多數調光器(TRIAC 或電子類產品)都是通過對提供給燈的 AC 波形進行限幅處理來工作的，因此僅在燈導通的短暫時間內進行亮度調節。這就意味著，亮度調節范圍的 90% 以上時，燈可以為全部開啟，也可以為全部關閉。

圖1無驅動器的HVHB LED 特性

綜上所述，相比其低壓版本，HVHB LED 擁有許多優點。從驅動器的角度來說，通過一個升壓功率因數校正 (PFC) 電源就可以將它們較好地直接驅動(請參見圖 2)。這種拓撲結構通過將電流消耗與 AC 電壓波形匹配來控制提供給負載的電量，從而確保了較好的功率因數(一般為 .97 或者更好)。使用這種 PFC，其很容易便超出了 .7 或 .9 的管理機構規定，而在美國、歐洲和印度銷售商業和住宅照明燈具時必須要遵守這一規定。提高輸入電壓的另一個好處是能夠獲得足夠高的電壓，以便可以使用某種電源設計(無論輸入電壓大小)。所以，可以實現一種通用輸入 LED 燈 (90-253 Vac)。過去，通用輸入也存在一些折中和妥協。同時滿足 120 Vac 和 220 Vac 應用要求的設計具有一種產品設計、一次制造和一種采購項目的好處。但是，要實現這些，您必須讓設計能夠處理高于 110 Vac 運行需要的電壓，以及高于高壓應用需要的更大電流。相比針對每個電壓范圍的優化解決方案，這就相當于更高的材料清單 (BOM) 成本和更大的組件。

高壓還意味著給定輸出功率的低電流。例如，要構建一個 380 Vdc 總 Vf 的 16W LED 光源(使用 4 個串聯/并聯 4W LED)，要求電流僅為 42 mA。這種低電流意味著更小的存儲電容，從而允許使用長壽命低成本的陶瓷電容器。使用這種電容器可以增加整體光源的壽命，因為它不需要電解質電容器。典型的“長壽命”電解質電容標稱使用壽命為 20000 小時，但在過熱情況下會急劇縮短，而 LED 擁有長達 50000 小時的壽命。在諸如路燈、頂棚照明以及其他高環境溫度照明應用中，這是一個巨大的進步。

從效率方面來看，開關模式 LED 驅動器的主要損耗組件是 LED 本身：開關電源(IC)、驅動 FET 和整流器。讓開關頻率維持在一個合理的頻率(例如：150 KHz)可以最小化 FET 的開關損耗，同時整流器中低電流就意味著低功耗。90% 以上的效率是可以達到的，其在整個 VIN 范圍僅稍有不同。

通過下列幾種方法可以達到功率因數校正：

1)有源法：利用一個具有內置算法的 IC，讓電流消耗與輸入電壓匹配;

2)填谷法：要求路由二極管和存儲電容在 AC 輸入處在過渡階段時提供電流;

3)自然法：一般為間斷運行反向結構的一個開關式電源即 SMPS。

由于要求低壽命的電解質，填谷法限制了驅動器的壽命。反向運行要求一個變壓器，從而使成本增加，并且會形成較多的電磁干擾 (EMI) 輻射(通過變壓器的磁通損耗)以及導通系數(通過間斷運行引起的高壓和電流峰值，以及等于 VIN + VOUT的反射電壓。)

圖2使用一個有源PFC 器件的簡單升壓設計

將相同方法用于驅動低壓 LED，意味著您必須首先升高 PFC 的輸入電壓，然后將該電壓降至 LED 串的 Vf 壓降。這樣便增加了驅動器的復雜度和成本，且通常還要增加整個功率級來將高 PFC 電壓轉換為 LED 電流。一種更常見的低壓 LED 驅動方法是在間斷模式下運行的反向拓撲中使用電源(請參見圖3)。變壓器的匝數比有助于橋接 VIN 和 Vf 之間的電壓差。這種拓撲的缺點是復雜性(以及與之相關的高成本)，無法接受通用 AC 輸入，高 EMI 導通系數以及輻射(由反射電壓和變壓器磁通損耗引起)。另外，在沒有大容量電容的情況下進行設計會更加困難。高壓大容量電容一般為電解質型，且壽命有限，特別是在高熱環境下。另外，更低電壓會形成更高的電流，從而使溫度升高，增大電源路徑組件尺寸，同時也限制了選定 LED 的輸出。

圖3基于低壓變壓器的LED 驅動器

LED 照明的一個重要屬性是能夠使用現有亮度調節解決方案進行亮度調節(主要是基于 TRIAC)。這種在整個 TRIAC 范圍進行亮度調節的能力也就是較好驅動 LED 和較差或者自驅動 LED 之間的差別，而 CFL 方法也是這樣一種情況。必須注意避免閃爍(TRIAC 失敗)，并提供足夠的亮度調節負載，以讓調節器維持在導通模式下。若想要降低 60 Hz 波形對 LED驅動電壓的影響，并限制傳導 EMI 傳回輸入波形(其會違反 FCC 規范)，必需對 AC 線路進行濾波處理。

在 TRIAC 調節和將調節結果轉換成等效電壓或者電流期間“解碼”AC 簽名，而其可以被直接插入到電源中，也可以被轉換成脈寬調制 (PWM) 信號來根據調節百分比對 LED“開啟”時間進行調節，這樣便實現了亮度調節。

進行亮度調節時需要做出許多折中。在驅動器反饋路徑中注入模擬電壓或者電流是最為高成本的一種方法，其要求最小附加電路。但是，它也有一些缺點。PWM SMPS 中可能會犧牲環路穩定性，并且在電壓瞬態期間會出現振蕩或者振鈴。這種現象會以 LED 光線輸出閃爍的形式出現。另一個缺點是模擬調節減少了 LED 的電流，從而引起調節范圍的顏色改變。例如，全電流下的藍白色 LED 在低電流時可能會變得更像黃白色。

利用數字亮度調節(例如：PWM) 可以通過一個并聯 FET 使其“短路”來開關LED 串，也可以通過將一個 FET 與電流檢測電阻器并聯來讓 LED 串同接地斷開。使用這種方法，電流便可保持恒定流過 LED，但是點亮一段時間后會變暗。這樣做的優點是顏色在整個調節范圍內都不會發生變化。

如 Everlight HiVo 系列的 LED 具有可適應 110Vac 和 220 Vac 電壓的 Vf 范圍。使用兩個串聯 220Vac 可確保有源 PFC 升壓設計適應所有輸入電壓(90-277 Vac)。將它們串聯或者并聯都可以提供覆蓋許多電源和電壓配置的靈活性。

總結

總之，以 PFC 升壓配置結構驅動時，HVHB LED 具有小尺寸、高 PFC、高效率、低成本和低復雜度的優點。所有這些優點為今天市售的一些 CFL 照明解決方案提供了一種極具競爭力和引人注目的解決方案。