【導(dǎo)讀】LED照明市場一直是LED產(chǎn)業(yè)中的中流砥柱。LED照明應(yīng)用按照功率范圍劃分可分為三種，低功率≤20W；中功率20-50W之間；高功率高于50W。但是按照這些規(guī)格制作的LED燈應(yīng)用到實際中總是不能符合。本文主要討論了≤20W的低功率LED照明，制定了LED驅(qū)動器的解決方案。
根據(jù)Strategies Unlimited的最新LED年度報告，2013年照明領(lǐng)域LED的全球銷售額為44億美元，（LED全球市場： 2014年市場回顧和預(yù)測）。 按2013年到2018年27.5 %的年增長率預(yù)測，到2018年銷售額有望達到149億美元。巨大且不斷增長的市場潛力要求LED驅(qū)動器提高效能（效能是每瓦流明數(shù)的比率）、降低成本和 延長工作壽命。
美國 能源部(DOE)預(yù)測高亮度LED的潛力會超越迄今的傳統(tǒng)技術(shù)。圖 1和圖 2所示為能效提高的趨勢。能效的分母為輸入功率，而輸入功率和將能量傳遞給LED燈串的效率與LED驅(qū)動器解決方案相關(guān)。單一驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)在整個 LED 功率范圍內(nèi)不是最佳結(jié)構(gòu)，但可以考慮以最少的拓撲來滿足全部 LED 驅(qū)動器開發(fā)的需求。
下面，我們將討論LED驅(qū)動器標準和機構(gòu)要求。
[page]
LED驅(qū)動器標準和機構(gòu)要求
用于規(guī)范LED驅(qū)動器產(chǎn)品的標準和機構(gòu)有許多，自愿和強制性方案都有。
表1為關(guān)于照明的幾個機構(gòu)的示例。
表1:全球機構(gòu)規(guī)范范例
該列表應(yīng)包括 FCC 要求 47 CFR的 第 15 部分，A 類和 B 類，諧波發(fā)射限值 ANSI C82.77-2002 或 IEC 61000-3-2，UL 8750 安全標準或 IEC 60650 第 1 部分，線路瞬態(tài)保護 IEEE C62.41.1991，A 類或 A 類可聞噪聲。 LM-80： 用于確定 LED 及 LED 模塊（而非光源）的流明維持率的指定程序。 LM79：用于測量發(fā)光效能的指定程序。 TM-21：用于確定期望使用壽命的指定方法。 最后，但并非最不重要的一點是，用于 LED 器件陣列或系統(tǒng)的NEMA SSL 1電子驅(qū)動器。
適用標準的清單較長，同時”能源之星”方案要求的審查突出了許多 LED 驅(qū)動器設(shè)計要求，如 表 2 所示。 所列項目都集中于 LED 驅(qū)動器，而不一定是燈泡或燈具。
表2：LED驅(qū)動器的具體標準和機構(gòu)要求
闡明了標準和要求后，現(xiàn)在我們可以開始考慮驅(qū)動器設(shè)計事宜了。 下面我們將談?wù)勛畛Ｓ肔ED燈具型號中的兩種（MR11和MR16）的驅(qū)動器設(shè)計。
MR11/16 LED驅(qū)動設(shè)計
在當今低功率LED照明趨勢的解決方案系列的第二部分中，我們列舉了設(shè)計師需要參考的各種規(guī)范和行業(yè)標準，以便了解任何既定項目中關(guān)于LED驅(qū)動減少功耗、功率因數(shù)校正和低THD的設(shè)計限制。除了相關(guān)規(guī)范和標準，還需考慮很多其它可能影響設(shè)計的因素。包括：
●開發(fā)周期和設(shè)計復(fù)雜性
●效率和效能
●工作溫度
●無閃爍和無閃光
●恒流輸出容差
●供應(yīng)商選擇與整合
●驅(qū)動器的成本、可靠性和使用壽命
●保護功能—— 過壓保護(OVP)、過流保護(OCP)、過溫保護(OTP)、短路LED、開路LED
●有限的印刷電路板 (PCB) 空間或體積（高度）限制
●找到滿足輸入和輸出電壓-電流參數(shù)、散熱設(shè)計、安全法規(guī)和保護需求的電源拓撲
●調(diào)光及調(diào)光范圍（切相調(diào)光器要求、調(diào)光比、浪涌電流限制、阻尼電路、泄放電路等）
MR11和MR16（MR表示“多面反射鏡”外罩）燈泡通常是鹵素?zé)?，常見類型的額定值有20W、35W和50W。典型的現(xiàn)有鹵素?zé)粼O(shè)計如圖5所示。
圖5：現(xiàn)有的傳統(tǒng)鹵素?zé)艋窘Y(jié)構(gòu)
輸入電壓可以是 DC 12V 或 24V 或直接插入到 120V 或 230V AC 電源。12V或24V電壓也可來自簡單變壓器，后者接受電網(wǎng)AC電壓并輸出12V/24V AC輸入至燈具插座。LED 替代產(chǎn)品需要恒流控制。4W led MR燈相當于20W鹵素?zé)粼O(shè)計。某些型號具有調(diào)光特性，同時調(diào)光的目的是為增加可用性。
[page]
MR11/16 燈 LED 驅(qū)動設(shè)計挑戰(zhàn)
MR11/16設(shè)計的最大難題在于缺乏燈架、燈泡形狀、功率因數(shù)、總諧波失真要求的標準（能源之星要求在>5W時LED照明產(chǎn)品≥0.9，集成燈具≥0.7），同時系統(tǒng)功效低。必須考慮燈的尺寸來設(shè)計LED驅(qū)動器的小巧空間，因為驅(qū)動器必須容納在圖6的燈具內(nèi)。
圖6：MR 燈的尺寸
有兩種印刷電路板外觀形狀。圖6所示產(chǎn)品是圓形的，以適應(yīng)LED模組的背面形狀。圓形直徑應(yīng)小于 30 毫米，較高的元件位于距中心接頭 5 毫米范圍內(nèi)。圖7所示產(chǎn)品是垂直的；必須小于30 x 20 666mm。
圖7：MR 燈圓形印刷電路板設(shè)計
圖8： MR 燈立式印刷電6路板設(shè)計
MR11/16飛兆半導(dǎo)體公司解決方案合適的LED驅(qū)動器拓撲可以實現(xiàn)最佳成本解決方案。如果7輸入電壓為 12V 或 24V DC，可選擇升壓或降壓拓撲結(jié)構(gòu)作為 LED 驅(qū)動器 DC-DC 拓撲結(jié)構(gòu)。如果 LED 8燈串的總正向電壓高于整流輸入電壓，則使用升壓拓撲結(jié)構(gòu)。否則，使用降壓拓撲結(jié)構(gòu)。DC-DC 功率級效率較高。一般情況下，該功率可高達 90%。然而，鎮(zhèn)流器變壓器效率很差。鎮(zhèn)流器變壓器不是開關(guān)模式電源(SMPS)，而是將110V/220Vac轉(zhuǎn)換為12V/24Vac的變壓器。雖然 DC-DC 功率級效率高，但 AC-DC 變壓器及 DC-DC 拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)總效率較低。
對于 MR LED 燈驅(qū)動器，需要解決系統(tǒng)效率低、功率因數(shù)校正和總體諧波失真要求，以適合有限的小型印刷電路板空間。目前使用 AC-DC 變壓器加 DC-DC 拓撲結(jié)構(gòu)的解決方案是當前已經(jīng)安裝的結(jié)構(gòu)： 鹵素?zé)舨遄玩?zhèn)流器變壓器。這可以節(jié)省安裝投資成本，但會犧牲電力效率。這種基礎(chǔ)設(shè)施將被更有效的結(jié)構(gòu)所取代。制造商也開始將 AC-DC MR 燈推向市場。
AC-DC MR 燈把 LED 驅(qū)動器集成到燈殼體，而不需要鎮(zhèn)流器變壓器。在此結(jié)構(gòu)中，總功率效率可能達到 80% 以上。一般情況下，既將 AC-DC LED 驅(qū)動電路板構(gòu)建到小的燈殼體內(nèi)，又同時滿足應(yīng)用場景的功率因數(shù)和總體諧波失真要求并非易事。還有一種首選方法，就是不使用壽命時間小于其他半導(dǎo)體元件或無 源電氣元件（如電阻、陶瓷電容器和電感器）的電解電容器。AC-DC MR 型 LED 燈的設(shè)計是一個新的設(shè)計挑戰(zhàn)。
Fairchild建議采用新的LED驅(qū)動器來解決AC-DC問題；如圖9所示的FL7701。它是“智能”非隔離PFC降壓LED驅(qū)動器解決方案。利用直接AC線路輸入電壓，可能獲得適應(yīng)MR燈具的較小PCB外形。此LED驅(qū)動設(shè)備避免了常用于輸入、輸出和IC Vcc電 壓的電解電容。省去電解電容可延長產(chǎn)品壽命并減少印刷電路板空間，同時降低材料清單成本。使用幾個外部元件便可滿足功率因數(shù) (PF) 和總體諧波失真要求，同時實現(xiàn) 80% 以上的效率。相對于升壓設(shè)計，降壓拓撲結(jié)構(gòu)還具有恒定輸出電流（降低紋波電流）的優(yōu)勢，因為電感器與輸出串聯(lián)放置，即降壓拓撲結(jié)構(gòu)看起來像是 LED 負載的恒定電流源。升壓拓撲結(jié)構(gòu)的輸出電流是不連續(xù)的，除非使用輸出電容來過濾紋波電流。波形比較如圖 10所示。
圖9：智能非隔離式功率因數(shù)校正降壓LED驅(qū)動解決方案
圖10： 降壓和升壓拓撲比較
A19、E14/17、E26/27 球泡燈LED 驅(qū)動器設(shè)計
我們已經(jīng)討論了 MR11/16 燈 LED 驅(qū)動器設(shè)計的難題?，F(xiàn)在，我們來看看 A19、E14/17、E26/27 球泡燈 LED 驅(qū)動器的設(shè)計。
某些燈泡類型稱為“螺口燈頭”和“蠟燭燈”。大多數(shù)是用 CFL 或 LED 替代的白熾燈，贏得了大多數(shù)應(yīng)用需求。
A19、E14/17、E26/27 螺口燈泡結(jié)構(gòu)
輸入電壓直接來自交流電源，插座類型為： E14/17（蠟燭型）、A19/E26/27（螺口式）（對于蠟燭型燈，額定功率為1~5W；對于白熾燈替換，額定功率為 4~17W。） 外形尺寸如圖11和圖12所示。
圖11：蠟燭型燈示例（(L： 99 毫米，D： 26 毫米，E： 17 毫米）
圖12：螺口燈泡示例（L： 105 毫米，D：55 毫米，B：26 毫米）
A19、E14/17、E26/27 螺口燈泡 LED 驅(qū)動器設(shè)計挑戰(zhàn)
對于蠟燭型燈，該 LED 驅(qū)動器的設(shè)計挑戰(zhàn)是小型印刷電路板空間。該印刷電路板空間小于 MR 燈空間，并工作于 AC 輸入電壓電源。采用 LED 驅(qū)動器設(shè)計來替換白熾燈，其印刷電路板空間比蠟燭型燈或 MR 型燈大，額定功率也較大，因此 LED 驅(qū)動器也較大。印刷電路板空間受到限制，類似于蠟燭型燈。對于螺口燈泡設(shè)計，功率因數(shù)和總體諧波失真幾乎是強制性要求，還有額外的調(diào)光器操作要求。
對于具有燈座側(cè)拋物線形狀的E26/27 燈泡，印刷電路板的外形尺寸為燈座側(cè)： 20 毫米；LED 模組側(cè)： 35 毫米；寬度： 70 毫米（參見圖 13）。
圖13：E26/E27 印刷電路板外形尺寸示例
效率需大于75%。調(diào)光器的設(shè)計要求包括與各種保持電流兼容、在大范圍的光振幅內(nèi)呈線性方式工作、以及無閃爍。
A19、E14/17、E26/27 螺口燈泡Fairchild解決方案
在安全性方面，隔離型驅(qū)動器為首選。在該功率范圍內(nèi)，首選的 LED 驅(qū)動器解決方案是反激式拓撲結(jié)構(gòu)。對于蠟燭型燈，功率因數(shù)和總體諧波失真雖然是低功率應(yīng)用，但仍為強制性要求。很多設(shè)計人員使用單級反激式解決方案。單級 功率因數(shù)校正反激式拓撲結(jié)構(gòu)減少了印刷電路板的尺寸，因為它可省去大體積輸入電解電容器。使用單級初級端調(diào)節(jié)(PSR)反激式解決方案可進一步減少元件數(shù) 量。憑借其低材料清單 (BOM) 成本、隔離特性、功率因數(shù)校正及寬泛的輸入電壓范圍，PFC PSR 反激拓撲有望成為首選的 LED 驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)。
在 PSR 拓撲中，無需次級端反饋，因此無需光隔離器、誤差放大器（如 TL431），以及補償和偏置電阻和電容。圖 14 顯示簡易 PSR 原理圖。
圖14：初級端調(diào)節(jié)器原理圖
[page] 初級端調(diào)節(jié)反激式拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點包括：
●單級解決方案限制了元件數(shù)量并最終適合較小的設(shè)計空間。
●FL103 50kHz 的工作開關(guān)頻率有助于反激式磁性變壓器適合體積受限的應(yīng)用。
●具有 FSEZ1317 的集成式 MOSFET 減少了元件數(shù)量，從而節(jié)省了額外的印刷電路板空間。
●初級端調(diào)節(jié)拓撲結(jié)構(gòu)中元件減少有助于應(yīng)對降低成本的壓力。
●無需次級反饋電路，這將立即減少元件數(shù)量并提高可靠性（省去光隔離器或 TL431）。
●Fairchild 的 PSR 拓撲包括 TRUECURRENT技術(shù)，業(yè)界領(lǐng)先的恒流性能 < ±3 %，提供始終如一的高質(zhì)量光照射。
●解決方案已采用隔離方式。
●單級反激式拓撲結(jié)構(gòu)可滿足功率因數(shù)和總體諧波失真要求。
初級端調(diào)節(jié)反激式拓撲結(jié)構(gòu)工作于兩種模式：恒定電壓 (CV) 和恒定電流 (CC)。LED 驅(qū)動器應(yīng)在恒流模式下運行，以便更好地控制 LED 燈串的照明亮度輸出。圖 15 顯示 PSR 調(diào)節(jié)反激的 I-V 特性。
圖15：初級端調(diào)節(jié)反激式 LED 驅(qū)動器的 I-V 輸出特性
PSR最好采用非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)，因為此模式支持更好的輸出調(diào)節(jié)。典型的波形如 圖 16所示。
圖16：DCM反激式轉(zhuǎn)換器的波形
當工作在恒定電壓調(diào)節(jié)模式下時，在電感器電流放電時間 tDIS 期間，輸出電壓與二極管正向電壓降之和會反射回輔助繞組端。由于二極管正向電壓降隨電流減少而減少，輔助繞組電壓反映了二極管導(dǎo)通時間 tDIS結(jié)束時的輸出電壓。通過在二極管導(dǎo)通時間結(jié)束時對輔助繞組電壓進行采樣，可以獲得輸出電壓信息。
當工作于恒定電流調(diào)節(jié)模式下時，使用峰值漏極電流 IPEAK和電感器電流放電時間 tDIS 以估算出輸出電流，因為輸出電流與在穩(wěn)定狀態(tài)下與二極管電流的平均值相同。采用 Fairchild 的 TRUECURRENT技術(shù)，恒流輸出可得到更準確地控制。
最后我們將討論PAR16、20、30、38燈LED驅(qū)動器設(shè)計。
PAR16、20、30、38 燈 LED 驅(qū)動器設(shè)計
這是我們LED照明趨勢的最后一部分。在這一部分我們將談?wù)凱AR16、20、30、38 燈驅(qū)動器。這些燈型均為交流電壓輸入，額定功率在 4 W~20 W 之間，燈座為螺口型 E26/27 或 2 引腳型 GU10，如 圖 17所示。
圖17：PAR 燈尺寸示例（L： 95mm, D: 92mm, B: 26mm)
因較大的燈體積，有了更多空間來容納 LED 驅(qū)動器解決方案。功率因數(shù)和低總體諧波失真仍為強制性要求。
[page]
PAR16、20、30、38 燈 LED 驅(qū)動器設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)
LED 驅(qū)動器設(shè)計人員可以選擇 PSR PFC 反激，即單級 PFC 反激。 然而，對于這種反激式驅(qū)動器，當這些LED 燈功率較大時可在通過 MOSFET上產(chǎn)生較高的 Vds,peak，因而需要 BVDss 額定值較高的 MOSFET 產(chǎn)品。 BVDss 額定值必須降額來適應(yīng)高電壓尖峰。 圖18顯示電壓尖峰為Vds,peak = Vin+nVo+Vos之和。其中，nVo是反射的輸出電壓，也稱為 Vro。
緩沖器用于限制 Vos 峰值電壓尖峰，但會消耗能量，從而降低 LED 驅(qū)動器的效率：
PAR16、20、30、38 燈-Fairchild解決方案
以前博客中介紹的 PSR PFC 解決方案對該 LED 驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)仍然是一個好的選擇。 然而，在某些設(shè)計中，另一個好的解決方案是具有 CRM PFC 功能的單級反激式控制 PWM IC。 其優(yōu)點是設(shè)計復(fù)雜性低、效率良好。 與復(fù)雜的兩級方法解決方案相比，單級功率因數(shù)校正方案提供了高功率因數(shù)和低總諧波失真，且不需要輸入大容量電解電容。 圖 19 為單級功率因數(shù)校正的基本線路圖。
圖19：典型單級功率因數(shù)校正反激式解決方案原理圖
Fairchild 的解決方案如表4所示，單級反激式解決方案與兩級方法解決方案的比較如表5所示。
表4： Fairchild 的單級功率因數(shù)校正反激式解決方案
表5：單級與兩級 LED 驅(qū)動器之比較
結(jié)語
本文回顧了低功率LED驅(qū)動器應(yīng)用的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)。雖然不同類型的LED燈存在差異，但不同類型燈使用的 LED 驅(qū)動器僅有少許不同的要求。 在一般情況下，基本要求相似： 低材料清單數(shù)量和成本、小尺寸印刷電路板、高效率、高功率因數(shù)、低總諧波失真。 Fairchild的解決方案包括 AC-DC 非隔離功率因數(shù)校正降壓拓撲結(jié)構(gòu)或單級功率因數(shù)校正初級端調(diào)節(jié)離線拓撲結(jié)構(gòu)，減少了對多個供應(yīng)商和技術(shù)投入的需要。
相關(guān)閱讀：
高兼容性、極簡的可控硅調(diào)光LED方案設(shè)計
拆解分析：兩款藍牙LED智能燈泡大比拼
LED風(fēng)暴襲來：如何控制LED燈具的顏色及混色達成
