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現今的LED照明已具備了多元化的應用場合，從簡單的白熾燈或冷陰極熒光燈(CCFL)替代品，到新的建筑、工業、醫療和其他應用。為了在應用中最佳化匹配燈和光亮，不同的LED照明應用通常都有相對應的性能標準要求。 為了驅動LED，工程師可以從琳瑯滿目的驅動器架構中挑選，然而每一架構都有各自的優缺點，針對具體應用的適應能力有好有壞。選擇驅動器架構時需考慮的因素有很多，其中成本占據首要位置，其次是隔離、調光、閃爍、色溫、功率因數、可靠性、熱管理等問題。 基本的LED驅動器架構有幾種：次級側控制、初級側控制、隔離式/非隔離式。此外，功率因數控制(PFC)也是在許多應用中的一個主要性能考慮因素，其解決方案由帶PFC功能的兩級或單級驅動器，或不帶PFC功能的單級驅動器(主要用于功率低于5W的應用)組成。因此，整個驅動器子系統就是一系列權衡下的結果，目的是降低物料清單(BOM)成本，實現最高效率，同時提供調光功能，打造一款溫度可控、具備故障保護功能的產品。 基本的驅動器架構 為了實現最佳的隔離和控制，次級側控制架構監測輸出電壓/電流，并通過一個光隔離通路向初級側驅動器提供反饋信號(圖1)。該反饋信號使次級側控制器能夠提供較好的電流及電壓控制精度。更簡單的初級側控制方案消除了次級側控制器和光隔離信號通路，從而降低了系統成本，在提高系統性能的同時，縮減了系統尺寸。在這種方案中，初級側驅動器通過初級側波形分析確定輸出電流和電壓(圖1)。取決于分析的質量，初級側控制可以做到匹敵甚至超越次級側調節及性能，因此是當今隔離式LED驅動器常用的解決方案。 圖1：兩種常見的LED驅動器方案采用了次級側控制(上圖)和初級側控制(下圖)。次級側控制具備較好的電流及電壓控制精度，但初級側控制可減少元器件數量和系統尺寸，同時提高性能。 基本的初級側控制電路通過輸出級變壓器實現了隔離。但是，為了減少元器件成本，非隔離方案采用電感器替代變壓器，并能采用降壓控制器替代初級側驅動器反激電路(圖2)。在非隔離方案中，控制機制得到了簡化，但為了防止輸入與輸出間短路，該電路要求更加復雜的物理隔離。目前，大多數LED驅動器設計采用的是隔離式架構。在未來一兩年內，電路設計領域的進步將可提供更進一步降低成本的方案。 圖2：初級側驅動器可通過在輸出級使用變壓器，設計成隔離式配置；或通過使用電感器替代輸出變壓器，并選用降壓控制器替代反激電路，設計成非隔離配置。 功率因數基礎知識 當輸入電壓和電流同相，輸入電壓和電流波形一致時，功率因數為理想的“1”。當輸入電壓和輸入電流波形之間的相位差增大時，功率因數將下降，系統效率也將降低。但是，升壓轉換器內置了電流波形控制功能，它能跟蹤輸入電壓波形，從而維持近乎為1的功率因數。 為了提高功率因數，可以在初級側驅動器電路和控制電路之前增加一個兩級功率因數校正(PFC)升壓電路(圖3)。PFC電路還消除了因2倍線路頻率而導致的閃爍問題。在示例中，輸出級采用了反激轉換器，為iW3616的驅動器電路提供隔離。該驅動器芯片采用的初級側檢測技術，在不使用次級側反饋電路的情況下，實現了卓越的線路電壓和LED負載電流調節，同時消除了光隔離器反饋環路。此外，iW3616的實時周期波形分析技術還提高了調光器的設置響應速度。數字控制環路在無需環路補償器件的情況下，也能保持整體工作條件的穩定。 0.95)。"> 圖3：通過在iW3616數字功率控制器中增加兩級功率因數校正升壓電路，可以讓驅動器電路實現無閃爍調光和極高的功率因數(>0.95)。 PFC也可以在單級初級側驅動和控制電路中實現。在此類系統中，驅動器通過調制輸入阻抗控制輸入電流波形，從而調節功率因數。 兩級PFC架構在有效消除輸出紋波的同時，實現了近乎完美的PFC，因此可大幅改善LED燈中的閃爍問題。但是，兩級升壓電路需要更多元器件，因此實現成本也較高。與此相比，雖然具備PFC功能的單級驅動器通過調制輸入阻抗提高了功率因數，但隨著功率因數的升高，輸出紋波(閃爍)也將增多。為了補償，必須通過提高外部電容值來減少閃爍。在不需要PFC調節的情況下，簡單的單級初級側驅動器可采用傳統的反激轉換器架構來降低成本。 很多應用還要求驅動器電路能夠對接調光器，但由于市場上已經存在多種調光技術—TRIAC型前沿和后沿調光器、復雜的電子調光器，以及低壓(0V～10V)線性控制或脈寬調制亮度控制調光器(主要用于商用系統中)—工程師必須解決很多問題。新型數字化解決方案能夠分析出調光器的類型，然后運用經過優化的算法控制調光。此類解決方案還能消除因短脈沖信號干擾而導致的閃爍。與此相比，傳統的TRIAC型調光器易受誤觸發的影響，并有可能產生不平衡的半周期輸出。 所有TRIAC型調光器都有最小保持電流要求，以保持TRIAC導通，但并非所有的LED驅動器電路都具備調光能力。對于那些有調光能力的LED驅動器電路，驅動器必須載入調光器，以保持TRIAC持續導通。雖然較高的負載可提高調光器的兼容性，但其高負載電流將降低電路效率。為了重新提高效率，可以用一個BJT或MOSFET替代驅動器的負載電阻，讓驅動器自動校準泄放電流，以確保安全工作區的精準電流控制，并利用升壓/PFC電路現有的BJT或MOSFET降低成本。 方案選擇 由于面臨眾多選擇，工程師通常需要仔細比較，整理出LED驅動解決方案應該具備的最佳功能組合。基本的決定因素可能首先是調光或非調光和功耗要求。之后，其他需求可能包括：有PFC或無PFC(取決于應用)、尺寸要求(解決方案是否適合具體的空間或印刷電路板區域)、可靠性/工作壽命、可容忍的閃爍量(越低越好)。 為了降低BOM成本，應考慮減少元器件數量，采用初級側控制，盡量降低EMI元器件數量，然后深入地檢查元器件成本—采用BJT而不是MOSFET用于驅動器，縮減散熱器的尺寸和材料。在某種程度上，這些選擇也與系統可靠性和工作壽命有關—元器件運行溫度越低，系統工作壽命就越長，尤其是對于電解電容器和LED等元器件自身而言。不幸的是，工程師很少知道LED燈的具體使用情況，因此，良好的溫控設計就顯得尤其重要。如果散熱器的尺寸設計不合理，通風不好的封閉式設備有可能導致熱量累積和過早失效。 此外，電路保護功能有助于防范熱失控、短路等重大熔斷故障—驅動器是否內置溫度檢測功能，或能否添加一個溫度傳感器？借助溫度傳感器，驅動器電路能夠實現復雜的熱閉環—當溫度高于最高指標時，通過降低LED電流，從而降低功耗和溫度。在極端情況下，驅動器還能關閉，達到保護自身的目的。很多驅動器電路還提供了附加的故障保護功能，例如LED短路和開路檢測、過壓保護、軟啟動，以及電流檢測電阻短路保護。 所有選擇都可以歸納為幾條與功率因數和閃爍問題有關的設計經驗法則：如果功率因數和閃爍不重要的話，則使用一個不具備PFC功能的單級初級側驅動器；如果功率因數重要的話，則使用一個具備PFC功能的單級驅動器；但如果功率因數和閃爍都很重要的話，最佳選擇是一個具備PFC功能的兩級驅動器。 工程師有很多基本架構可以選擇，通過對比它們的優缺點，就能為目標應用挑選出最佳的驅動器解決方案。 |
