中心議題：

• 探討挑戰對離線LED拓撲的選擇

解決方案：

• 利用降壓轉換器
  、PFC單級反激以及兩級PFC反激
• 提出了QR反激或LLC方案

在考慮使用LED驅動器將AC輸入電壓轉換為用於LED負載的恒定電流源的拓撲時，將LED應用分為三種功率水平是有幫助的：（1）低功率應用。要 求輸入低於20W，例如燈條、R燈和白熾燈的替換品；（2）中等功率應用。輸入最高為50W
，例如天花板筒燈和L燈；（3）高功率應用。要求輸入高於 50W
，例如標牌燈或街燈。設計人員在這三種功率範圍內麵對不同的挑戰組合
，包括成本、安裝LED驅動器的空間、效率、設計複雜性、功率因數、平均失效時 間(mean-time-to-failure, MTTF)以及可靠性，上述隻是諸多挑戰中的一些。本文將推薦在這三種基本功率範圍內使用的基本拓撲以應對設計挑戰。

低功率解決方案麵向小尺寸照明燈應用
，這些應用要求安裝LED驅動器的設計體積小，通過控製流過LED的電流來達到穩定的光輻射，並具有高效率和低成本。為了符合“能源之星(Energy Star)”對於照明器具的規劃要求
，對於住宅燈具的功率因數必須≥0.7，並且對於輸入功率大於5W的商業應用，功率因數必須≥ 0.9。

（1） 如果不需要LED驅動器隔離，降壓調節器拓撲具有最低的BOM成本
，因而是可以考慮的低成本解決方案。圖1為非隔離降壓拓撲示例，包括了功率因數校正和調 光能力
，僅有一個磁性元件（一個簡單電感）和一個單一MOSFET/二極管對，用於降壓功率轉換。如果輸入電壓高於LED負載所需的輸出電壓
，此拓撲為最 佳選擇。

圖1 帶有PFC的非隔離降壓轉換器

在 需要隔離LED驅動器時


，一個好的拓撲選擇就是初級端調節(primary-side regulated，PSR)反激拓撲；圖2是一個PSR反激LED驅動器示例。無需次級端反饋，可以降低成本
，因而此拓撲的元件數目較少，可以實現良好 的恒定電流調節。控製器中可以集成MOSFET以減少BOM數目及減少印刷線路板空間。因無需使用用於次級反饋的光隔離器PSR反激的可靠性得以提高。

圖2 初級端調節轉換器

對於PSR反激拓撲
，不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode
，DCM)是首選的工作模式，因為它可以更好地調節輸出。典型波形如圖3所示。

圖3 DCM反激轉換器波形

[page]
當 PSR LED驅動器以恒定電壓調節模式工作時，在電感器電流放電時間Tdis期間，輸出電壓和二極管正向電壓降之和被反映至輔助線圈端。因為二極管正向電壓降隨 著通過二極管的輸出電流減少而減少，在二極管放電時間Tdis的末端，輔助線圈電壓反映了輸出電壓。通過在二極管放電時間末端對輔助線圈電壓進行采樣，獲 得輸出電壓的信息。

當以恒定電流調節模式工作時，使用峰值漏極電流IPEAK和電感電流放電時間Tdis可以估算輸出電流，因為在穩定狀態下輸出電流與二極管電流的平均值相同。采用飛兆半導體創新的TRUECURRENT?技術，可以精確控製恒定電流輸出。

PSR拓撲的效率可以達到85%。作為一個例子，考慮8.4W的應用，LED驅動器的總功率損耗在85VAC輸入時測得為1.32W。損耗的支出
， 最大來自於變壓器
，估計為0.55W，隨後是緩衝電路(如圖2所示
，二極管與並聯的電阻和電容串聯，跨接在變壓器初級線圈上)，其損耗為 0.31W，MOSFET的損耗為0.26W，以及輸出整流和橋式整流器一起的0.20W損耗。

（2）變壓器和緩衝電路通常是較主要的功率耗散組件，由於來自變壓器的漏電感
，因而需要緩衝電路來防止電壓施壓在MOSFET上，假如未注意到這兩個設計方麵，印刷線路板和輸入EMI濾波器也可以成為顯著的功率耗散來源。

總 體1.32W損耗可能看起來並不是功率損耗的重要來源，但在一個低功率LED驅動器中
，LED負載靠近驅動器，因而使設計發熱的是總體負載功率加上驅動器 損耗。熱傳遞不會選擇強製冷卻氣流
，因而上麵引用的示例必須使用能夠從半導體和電氣器件中高效傳導8.4W功率的燈具

，以便維持可靠性。假如散熱解決方案 不能夠平衡這一功率並保持元件低溫，那麼
，使用電解電容器會減少設計的平均無故障工作時間(MTTF)。

中zhong等deng功gong率lv解jie決jue方fang案an仍reng然ran要yao求qiu小xiao體ti積ji設she計ji和he功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng。在zai該gai功gong率lv範fan圍wei內nei效xiao率lv和he可ke靠kao性xing仍reng然ran是shi重zhong要yao的de設she計ji製zhi約yue。可ke使shi用yong的de良liang好hao拓tuo撲pu是shi單dan級ji功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng反fan激ji拓tuo撲pu
，如ru圖tu4所示。

圖4.單級PFC反激轉換器

單 級(ji)設(she)計(ji)減(jian)少(shao)了(le)元(yuan)件(jian)數(shu)目(mu)並(bing)且(qie)無(wu)需(xu)輸(shu)入(ru)大(da)體(ti)積(ji)電(dian)容(rong)器(qi)
，不(bu)僅(jin)節(jie)省(sheng)了(le)設(she)計(ji)空(kong)間(jian)，而(er)且(qie)也(ye)降(jiang)低(di)了(le)成(cheng)本(ben)。用(yong)於(yu)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)控(kong)製(zhi)的(de)反(fan)激(ji)，使(shi)用(yong)了(le)次(ci)級(ji)反(fan)饋(kui)。采(cai)用(yong)這(zhe)些(xie)中(zhong)等(deng)功(gong)率(lv) 反激拓撲設計，可實現高達84%的效率。因為拓撲采用反激方式，在該LED驅動器設計中，變壓器和緩衝電路仍然是主要的功耗損耗來源。在中等功率範圍中
， 較高的功率水平增加了緩衝電路的功率損耗
，因為緩衝電路損耗與變壓器漏電感和MOSFET中峰值電流平方的乘積成比例。在該中等功率設計中，變壓器的尺寸 正在增加
，而且MOSFET中的峰值電流也在增加。

大功率解決方案關注最佳的效率和可靠性，合理的成本以及較少的BOM數目。推薦使用兩 級式LED驅動器。第一級用於功率因數校正

，隨後是DC-DC轉換級來調節恒定電流輸出。第一級可以采用與中等功率範圍單級PFC反激轉換器設計相同的控 製器。為了在該兩級方法中減少元件數目
，在第一級上，控製器集成了一些元件和特性。

這裏推薦兩種次級DC-DC轉換器選擇：準諧振反激，用於低於100W的應用
，或者LLC拓撲
，用於高於100W的應用。反激方案可以達到合理的效 率
，相對於LLC拓撲選擇
，它是不太複雜的拓撲。通過降低導通開啟時的電容電壓，QR拓撲減少了與MOSFET輸出電容相關的開關損耗。QR拓撲 MOSFET軟開關也減少了EMI。然而，對於LLC拓撲
，較好的效率歸功於MOSFET的零電壓開關(zero voltage switching)，而且可以使用小型保持(holdup)電容器。在該兩級方法中可以實現高達92%的效率。圖5和圖6顯示了QR和LLC拓撲。請注 意圖6中的LLC電路使用了變壓器的漏電感和磁化電感以建立LLC諧振電路。

圖5 兩級PFC + QR反激示例

圖6 兩級PFC + LLC示例

大功率應用通常使用多串LED。圖6顯示了使用次級控製器來平衡通過不同LED串負載的電流。

結論

本 文針對三種不同功率範圍的離線LED驅動器應用，推薦了不同的拓撲。根據不斷增加的LED負載功率水平，提出了降壓轉換器、PFC單級反激，以及兩級 PFC反激，並隨後提出了QR反激或LLC方案。每種推薦的拓撲方案都基於安裝LED驅動器的可用設計空間、效率要求、可靠性、成本和設計複雜性等考慮， 能夠最好地滿足上述限製條件。