多級LED驅動設計 輕松實現高效調光

中間級將高壓DC總線電壓(典型值在475V左右)轉換成為適用于驅動LED負載的低壓輸出。基于安全方面的考慮，LED負載通常采用低壓驅動，因此驅動電路通常最小值為1安培。這里所推薦的絕緣和降壓級配置是一種諧振半橋，包括一對用相互反相的信號驅動開關MOSFET。高頻降壓變壓器初級繞阻的一端接到這兩個開關管的的中點，而另一端與DC總線至地回路的電容分頻網絡相連接。通過這種方式，變壓器初級可以看到一個正負電壓振幅相等的方波。二次繞阻將采用中心抽頭，這樣兩個二極管整流器即可用于將輸出電流轉換到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的方式運行。在采用3安培電流的典型應用中，在30度的環境溫度下，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，同步整流的熱優勢就變得更為顯著。最后，還需要一個平滑電容，以產生絕緣的低紋波DC電壓。這個電容的容值為數十法拉的級別，因此要采用陶瓷電容器。

為了使半橋級效率更高，在設計中，應該使其工作在諧振模式，其中MOSFET在零電壓(ZVS)條件下開關。要實現這一點就必須保證一個MOSFET關斷而另一個MOSFET開啟之間有一個短時延，并且在這段時延電壓從一個軌整流換向到另一條軌的中間點。這是因為電感器中能量的釋放并通過MOSFET中的體二極管進行傳導。變壓器的初級設計中，有必要保持足夠的漏電感，從而可以存儲更多的能量，從而可以進行能量交換。

這樣，變壓器的設計就會變得更加復雜，而避免這些問題的一個簡單方法就是采用一個標準的高頻變壓器設計，無需為其設計增加額外的漏電感，僅僅需要增加一個與初級電感平行的另外一個電感來促進能量交換。這個額外的電感也可以用于幫助基于三端雙向可控開關的調光器進行調光操作，并為調整提供了額外的成本和空間。我們還將對此做進一步的探討。這樣的電感器可以采用開氣隙磁芯或開口磁芯來增加儲能。

LED驅動器的后端級包括帶有短路保護功能的電流調制電路。這可以通過一個線性調制電路來實現，但僅采用這種方式還不夠，它只適用于低輸出電流，不可用于多級系統。備選方案是一個簡單的降壓穩壓器電路，利用電流反饋來限制每個超過目標LED驅動電流的輸出電流。這樣可以補償在溫度和器件容差帶來的總的LED正向電壓的變化，同時也限制了短路或其它故障情況下的電流，保護驅動器不受損傷。

在多個輸出級都與由前一級供電的單獨的隔離DC電壓相連接時，也可以采用多級通道的方式。因為在這樣的設計中，一個通道出現輸出短路不會妨礙其它通道的正常運行。而且，這還允許將幾個通道的調制電流提供給不同的LED陣列，并且省去了對于連接平行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將會出現問題，這時采用帶有多個獨立輸出的驅動器的優勢就顯而易見了。

TRIAC調光器的缺點

現有的大多數調光器一般可采用前沿切相方式工作，采用一個非常簡單的基于三端雙向可控硅開關的電路。這些調光器最初設計只是與作為電阻負載的白熾燈一起使用。

三端雙向可控硅開關器件是一個半導體開關，它只有當給其第三個門極加脈沖使其觸發之后，其兩個主要端子之間可以任何一個方向傳導電流。這個脈沖可以具有任意一個極性，因此易于通過一個基本的RC計時電路進行創建。其工作原理包括

在AC線周期的一個點上觸發三端雙向可控硅開關，這樣它將一直導通到周期的結束，周期結束時線性電壓降為零，接著流經三端雙向可控硅開關電流也將為零，三端雙向可控硅開關會再次關閉。三端雙向可控硅開關器件具有最小的額定保持電流，低于這個電流，開關將關閉。調節電路中的電位器控制調節器電路中三端雙向可控硅開關的開通點，并且通過實現調光改變整體的平均AC電流。

然而，即使它們包括一個功率因數校正前端，LED轉換器和其它電源或電子鎮流器也不會成為調光器的純電阻負載。當調光水平被降低時，調光器中的三端雙向可控硅開關可能會不規律被激發或錯過開關周期。影響這種性能的因素非常復雜，由于我們已經找到了一個簡單的解決方案，可以在多級系統中最大程度的克服這種問題，因此在這里沒有必要進行深入分析。

無需將降壓變壓器的初級側中的整流換向電感器返回到電容分壓器的中點，電流即可以通過一個DC分隔電容器流回到線輸入。這就在AC線循環結束前，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處于開啟狀態，并使其在所要求的調光范圍內運行。這一解決方案通過利用那些將被浪費的電流，通過基于三端雙向可控硅開關的調光器幫助調光。(圖3)

圖3：前端和帶有調光電荷泵的半橋。

利用這種方式調光是切實可行的，因為隨著調光級別的降低，前端級的輸出總線電壓也在降低。這就使得次級電壓也下降，由于LED負載有固定的總壓降，電壓中的一個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，實現了LED的線性調光，由此滿足了更為復雜的PWM調光電路的要求并避免了可能的專利侵權。盡管調光器兼容性需要損失一定的效率，但多級配置仍是更高性能LED驅動器設計的絕佳選擇。