【導讀】LED照明已呈現(xiàn)多元化趨勢，從簡單的白熾燈逐漸發(fā)展到工業(yè)、建筑、醫(yī)療、電子等多個領域。不同的LED照明需要匹配最佳的燈和光亮，這樣才能符合性能標準。
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(yōu)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(jù)首要位置，其次是隔離、調光、閃爍、色溫、功率因數(shù)、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(shù)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(tǒng)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(xiàn)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(chǎn)品。
LED驅動器架構
為了實現(xiàn)最佳的隔離和控制，次級側控制架構監(jiān)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(tǒng)成本，在提高系統(tǒng)性能的同時，縮減了系統(tǒng)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(jié)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(shù)量和系統(tǒng)尺寸，同時提高性能。
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(shù)量和系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)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。
[page] 有關功率因數(shù)
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(shù)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(shù)將下降，系統(tǒng)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(shù)。
為了提高功率因數(shù)，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(shù)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(xiàn)了卓越的線路電壓和LED負載電流調節(jié)，同時消除了光隔離器反饋環(huán)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(shù)字控制環(huán)路在無需環(huán)路補償器件的情況下，也能保持整體工作條件的穩(wěn)定。
圖3：通過在iW3616數(shù)字功率控制器中增加兩級功率因數(shù)校正升壓電路，可以讓驅動器電路實現(xiàn)無閃爍調光和極高的功率因數(shù)(>0.95)。
PFC也可以在單級初級側驅動和控制電路中實現(xiàn)。在此類系統(tǒng)中，驅動器通過調制輸入阻抗控制輸入電流波形，從而調節(jié)功率因數(shù)。
兩級PFC架構在有效消除輸出紋波的同時，實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)，但隨著功率因數(shù)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(jié)的情況下，簡單的單級初級側驅動器可采用傳統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)中)—工程師必須解決很多問題。新型數(shù)字化解決方案能夠分析出調光器的類型，然后運用經(jīng)過優(yōu)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(tǒng)的TRIAC型調光器易受誤觸發(fā)的影響，并有可能產(chǎn)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(xù)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(qū)的精準電流控制，并利用升壓/PFC電路現(xiàn)有的BJT或MOSFET降低成本。
LED驅動架構方案
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?；镜臎Q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(qū)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(shù)量，采用初級側控制，盡量降低EMI元器件數(shù)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(tǒng)可靠性和工作壽命有關—元器件運行溫度越低，系統(tǒng)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(xiàn)復雜的熱閉環(huán)—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(shù)和閃爍問題有關的設計經(jīng)驗法則：如果功率因數(shù)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(shù)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(shù)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。
針對不同的LED驅動架構，通過對比分析優(yōu)缺點，匹配出最佳的架構，這樣才能設計出最佳的方案。
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