低成本高效率LED驅動器

　　隨著照明行業的不斷創新和迅速發展，加之節能和環保日益重要，高亮度(HB)LED已從簡單的指示燈演變為超越傳統光源的重要照明源。相比其他照明解決方案，HB LED具有數項顯著的優勢，例如能耗低、壽命長和照明質量高。不過，HB LED要想成功取代普通白熾燈進入大批量市場，其驅動電子裝置的成本必須降至最低。

　　對傳統照明源白熾燈而言，驅動是輕而易舉的事情，只要讓燈泡直接與電壓源連接就行了。大多數能源都是以恒定電壓的形式存在的，這使得白熾燈的驅動成本相當低。然而，LED有一個光輸出強度，這與它的電流及正向壓降成正比，并隨溫度而變化。因此，LED需要一個恒定電流來驅動，并需要額外的電路。傳統上，LED的離線恒定電流驅動器一般是采用帶輸出電流調節電路 (見圖1) 的隔離反激式轉換器來實現的。通過一個檢測電阻測量實際的LED電壓，然后與參考電壓數值進行比較，得出誤差電壓。該誤差電壓經由光耦合器被傳送到初級端，用于控制初級端開關器件的占空比。盡管這種方案能夠實現出色的LED電流調節，但輸出調節電路需要光耦合器、參考電壓和檢測電阻，大大增加了系統成本，降低了總體效率。

　　初級端調節(primary side regulation，PSR)技術可能是將離線LED驅動器的成本降至最低的最佳解決方案。這項技術只需驅動器初級端的信息，就可精確控制次級端的LED電流，不僅消除了輸出電流檢測損耗，同時省去所有次級反饋電路，從而在不產生龐大成本的前提下提高離線LED驅動器設計的效率。此外，該技術無須次級端反饋電路，即可調節LED驅動器輸出電壓，這相當于提供了一種開燈過壓保護功能，進一步確保了驅動器的可靠性。本文將論述初級端調節技術的基本工作原理，并介紹一種高集成度的初級端調節PWM控制器。與傳統的次級端調節方法相比，這種控制器擁有多種顯著的優勢。

　　初級端調節的基本概念
　　圖2為初級端調節反激式轉換器的基本電路示意圖及其典型波形。一般而言，斷續傳導模式(discontinuous conduction mode，DCM)輸出調節性能較好，因此是初級端調節的首選工作模式。初級端調節的關鍵在于如何在無直接檢測的前提下獲得輸出電壓和電流的信息。一旦獲得這些數值，通過傳統的PI控制方法就可以輕易進行控制了。

　　在MOSFET導通時間(TON)內，初級端電感(Lm)加載輸入電壓(VIN)。于是，MOSFET電流(Ids)從0線性增加到峰值(Ipk)。在這段時間內，能量從輸入端轉移存儲在電感中。當MOSFET關斷時，存儲在電感中的能量促使整流二極管(D)導通。在二極管導通時間(TD)內，輸出電壓(Vo)加載在次級端電感上(Lm×Ns2/Np2)，二極管電流(ID)從峰值(Ipk×Np/Ns)線性下降至0。在TD結束時，所有存儲在電感中的能量都釋放到輸出端。在此期間，輸出電壓和二極管正向壓降之和反映到輔助繞組端，表示為(Vo+VF)×Na/Ns。由于二極管正向壓降隨電流減小而減小，在二極管導通時間結束時，二極管電流減小為0，故這時輔助繞組電壓能最好地反映出輸出電壓。因此，通過在二極管導通時間結束時對繞組電壓進行簡單采樣，就可以得到輸出電壓的信息，而二極管導通時間則可通過監控輔助繞組電壓而獲得。

　　同時，輸出電流的估算需要一些乘法計算。假設輸出電流與二極管穩態時的平均電流相等，輸出電流可通過下式估算：Io=Ipk×(Np/Ns)×(TD/2Ts)。輸出電流估算器通過一個峰值檢測電路來獲取漏極電流峰值，并利用二極管導通時間(TD)計算出輸出電流。

　　集成式初級端調節控制器
　　初級端調節PWM控制器，如飛兆半導體公司的FAN102，是一種專門處理初級端調節離線LED驅動器設計的技術。這種技術可顯著簡化滿足更嚴苛效率要求的設計難題，并省去增加成本和可靠性問題的外部組件，如光耦合器和KA431。圖3為FAN102的內部模塊示意圖。該器件具有一個用于誤差放大器的容差為±1%的內部參考電壓，可以根據外部組件的容差將輸入電流/電壓變化減至最小，另外還帶有一個集成式外部組件溫度變化補償電路，無論溫度如何變化，均可獲得高精度。其內部振蕩器具有跳頻功能以減小EMI，可在輸入端使用小型線路濾波器。

　　結論
　　結合了采樣和輸出估算的專有技術可為各種離線LED驅動器提供調節精確、成本更低的實現方案—從街燈到醫療應用，乃至櫥柜燈和臺燈這類消費電子應用都可實現?，F在，這些LED驅動器能夠實現更小的尺寸、更低的成本和更高的效率。