盘点下代LED照明的新技术和解决方案

尽管led在过去十年中已经有了显著的改进，但是驱动技术并没有跟上步伐，在某些方面，它是新应用的限制因素。尺寸是一个特殊的问题。大幅增加开关频率有助于减小尺寸，但往往导致其他问题或代价高昂。北欧电力转换器公司的首席执行官米奇·麦德森解释了他的公司如何克服这些障碍，并通过设计高频率的LED驱动器使其变得可行。

传统20 W驱动器的比较，其中无源器件构成大部分体积，开关频率为100 kHz，而新型NPC技术为30 MHz

LED技术革新了照明市场的效率，外形，寿命和控制能力，并继续提供新的解决方案。LED驱动在过去的十年里有了些许的改进和优化，但是根本的问题仍然存在:自从1970年代引入开关电源以来，功率转换技术基本上没有改变。在尺寸、寿命和控制方面，LED已经超过了驱动它们的LED驱动。缩小这种差距的一种方法是大幅度提高开关频率。这个想法并不新颖，但以一种商业可行的方式实现的可能性却是。增加开关频率的应用技术减少了无源储能元件的尺寸。因此，它降低了尺寸、重量，从而降低了LED驱动程序的成本，同时提高了可靠性和寿命。

LED驱动器引起的LED系统限制

在过去的十年中，LED的功效已经提高了很多倍，并且价格也受到了相应的影响，并且还将继续下去。功效的提高导致功耗降低，因此降低了对冷却的需求。所有这些都导致更小的灯具具有更高的设计自由度和更低的成本。然而，提供和控制LED所需的LED驱动器没有看到相同的重大改进。

首先，LED驱动器的尺寸和形状因子由所需的部件设定，例如无源储能元件（电感器和电容器）。其次，所需组件的有限寿命限制了LED驱动器的寿命和可靠性，导致它们成为LED系统故障的关键原因 - 并且通常早于用户预期。第三，虽然LED驱动器的成本随着数量的增加而减少，但进一步降低成本受到铜等传统组件的原材料的限制。因此，LED驱动器需要新的创新以赶上LED的发展并满足市场需求。

LED驱动器中无源元件的价值，尺寸和价格与开关频率成反比，开关频率的急剧增加将导致功率密度大大增加并降低成本。这个概念的好处是众所周知的，同样也是问题所在。如下所述，增加的开关频率会导致严重的开关损耗，从而破坏硬开关开关电源（SMPS）的效率并导致系统故障。

传统电源技术

第一款开关电源是在20世纪70年代早期开发的，从此成为电源和LED驱动器的市场标准。在40多年的研发中，电源的效率和功率密度得到了提高，从那时起，随着技术的成熟和组件的优化，电源的性能也得到了提升。然而，改善步伐大大减少。

对于大多数LED驱动器的功率水平，公布的一些最佳结果是效率约为95％，功率密度为0.88 W / cm3。这些结果是在具有受控环境且不关注成本的实验室中实现的。对于商业产品，接受较低的效率和功率密度以降低成本。

大众市场上一些最小的电源是Apple着名的方糖笔记本电脑充电器。60W版本的功率密度为0.59W / cm。（包括外壳和插头），效率为90％。对于USB充电器，效率和功率密度较低，效率约为75％，功率密度约为0.31 W / cm3。同样的趋势适用于具有差异的LED驱动器，具体取决于功率水平，规格，性能和价格。在较低功率水平下效率和功率密度的下降部分是由于外壳，插头，控制，启动，保护和其他内务处理电路与功率水平无关，部分原因是与价格的权衡。随着功率水平的提高，效率变得更加重要，通过提高效率，价格上涨通常更容易接受。

开关损耗会影响开关频率

传统的SMPS拓扑结构如降压，升压和反激是硬开关，这意味着电路板上的MOSFET半导体在其上有电压和/或电流通过时会切换。结果是每次导通时MOSFET中的能量都会耗散。这被称为开关损耗。在传统的转换器中，开关频率被选择作为效率（开关损耗），尺寸和成本之间的折衷。在大多数商业产品中，选择50-400 kHz范围内的开关频率，因为这给出了公平的权衡。

该频率范围内的典型SMPS如图1所示。这里可以清楚地看到，无源储能元件，电容器和磁性元件构成了大部分体积。物料清单（BOM）的细分通常会导致无源和有源组件之间的分别为60％和40％。因此，通过减少无源元件可以实现显着的尺寸和成本优势。由于这些元件的数值，尺寸和成本与开关频率成反比，直接的方法是将开关频率显着提高到MHz范围，甚至达到甚高频（VHF）范围（30） -300 MHz）。然而，将频率简单地增加到VHF范围将使开关损耗增加近1,000倍。

为了避免开关损耗并且能够在保持高效率的同时增加频率，必须使用新的拓扑结构。利用谐振转换器，可以实现零电压开关（ZVS），从而可以避免由寄生开关电容引起的开关损耗。存在三组谐振转换器：串联谐振，并联谐振和串并联谐振转换器。

串联谐振转换器具有最高的效率和最低的复杂性，但在输出调节方面存在基本挑战，特别是对于轻载和空载情况。

并联谐振转换器具有更好的负载调节，但它们的谐振电流不随输出功率而变化。即使在轻负载时也会导致满负载损耗，从而导致非常低的轻负载效率。

串并联谐振转换器具有串联谐振和并联谐振元件。这些元件可以平衡，以获得串联谐振和并联谐振拓扑的优点，同时显着降低其缺点。LLC转换器是谐振转换器最常用的拓扑结构。它可以设计为零电压开关（ZVS），以减少开关损耗并提高频率。LLC转换器通常用于降压应用，从几百伏到几十伏，通常功率范围为400-4000瓦[1]。

自20世纪80年代以来，已经进行了研究，将谐振RF放大器（逆变器）与整流器结合用于DC / DC转换器[2,3]。利用这些类型的转换器，可以实现ZVS和/或零电流开关（ZCS）。在这种情况下，当跨越/通过它的电压和/或电流为零时，MOSFET导通。从理论上讲，如果切换是在瞬间和恰当的时间完成的，那么这应该可以消除开关损耗。在实践中，可以通过与理想情况的轻微偏差实现非常高的效率。

VHF谐振转换器

在过去十年中，在VHF系列中运行的这类转换器的重点和研究已经增加。进入这个频率范围可以大大减少对被动储能和磁芯的需求。电解电容器可以用空心磁性元件和陶瓷电容器代替，从而最大限度地减小尺寸和价格，同时延长使用寿命[4,5]。

开关频率在30到300 MHz之间，选择拓扑时的主要问题是开关损耗。由寄生输出电容引起的MOSFET开关损耗随开关频率线性增加，并成为这些频率的主要损耗机制，如果拓扑结构没有考虑到这一点。

图2：E类转换器的原理图

图3：DE类转换器的示意图

E类

大多数拓扑结构都来自E类逆变器，它利用了设计中开关的输出电容，并确保在MOSFET导通之前电容完全放电。一些拓扑结构也可以实现零电流开关（ZCS）。这消除了由例如MOSFET封装中的寄生电感引起的损耗。尽管在功率转换器中通常不是很大的损耗机制，但这导致电压的导数在开关实例（ZdVS或ZDS）处为零，因此是相关的。如果MOSFET没有在正确的时间完全导通，它可以减少影响，因为它上面的电压将在一段时间内接近零。

基本的E类转换器是迄今为止最不复杂的拓扑结构，并且有很好的描述。在各个组件不会相互严重影响的情况下，可以使用简单的设计流程。逆变器仅由一个MOSFET，两个电感器和一个电容器组成。它非常适合具有低输入电压的应用，但对于具有高输入电压的应用（例如电源），电压应力是开关上输入电压的3.5倍是这种拓扑结构的主要缺点。如果设计为在最佳情况下工作，则电感器对于限制瞬态响应和功率密度的任何拓扑结构而言是最大的。然而，逆变器可以设计成在较小的标称情况下操作，具有较小的电感器和较快的瞬态响应。

SEPIC转换器可以看作E级转换器的略微修改版本，原理图中唯一的区别是谐振回路中的电感器被移除。这不仅减少了电感器的数量，而且其余两个电感器也将小于E级（如果设计为接近最佳值）。然而，SEPIC的设计更复杂，因为逆变器和整流器不能单独设计，因此所有部件相互影响。因此，使用SEPIC可以在效率，瞬态响应，尺寸和成本方面实现更好的性能，但设计更复杂。

类φ2

类φ2逆变器也是E级的改进型，唯一的区别是增加了LC电路，通过使其更加梯形来降低MOSFET两端的电压。虽然这是降低电压应力的好方法，但陡峭的电压曲线需要更大的电流，使损耗大于E类逆变器。虽然它有2个额外的元件，但与E类逆变器相比，物理尺寸可以或多或少与电感器相同。由于较高的谐振电流，总损耗大于E类逆变器。如果可以从另一类MOSFET中进行选择，例如100 V器件而不是150 V器件，那么这可能是可以接受的，但如果不是这样的话。E级或SEPIC是更好的选择。

DE

类DE逆变器是由与E类逆变器相同数量的元件组成的半桥逆变器;只有最大的电感被开关取代。因此，该拓扑仅具有一个电感器，其同时小于其他拓扑中的任何电感器。MOSFET上的峰值电压是迄今为止在任何逆变器中看到的最低电压，电流也是最低的。

类φ2逆变器是单开关逆变具有最低电压应力。该拓扑结构的电压应力约为输入电压的2.5倍，是DE的2.5倍。这导致MOSFET的输出电容中存储的能量超过6倍。这是为了获得ZVS而需要共振的最小能量。对于具有高输入电压的低功率应用（例如电源连接的SELV LED驱动器），这因此设定谐振电流的量。此外类φ2具体地，甚至具有更多的谐振电流，由于3次引入谐波以降低峰值电压。避免开关损耗并同时保持低谐振电流是实现高效率的关键[6]。因此，DE类逆变器是具有实现最高效率的基本潜力的拓扑。

因此，如果可以设计有效的高侧栅极驱动，则DE逆变器优于所有单开关拓扑。

图4：20 W驱动器与开关频率100 kHz和30 MHz的比较

图5：20 W驱动器在30 MHz下工作的效率曲线

VHF的技术优势

移动到更高频率有几个好处;其主要优点是小型化，可靠性/寿命和调光效率。

小型化

图1示出了无源能量存储元件构成SMPS的大部分体积。作为粗略平均值，这些组件构成体积的95％，有源组件与电阻器等一起构成剩余的5％。尽管开关频率的增加并未反映出尺寸减小的一对一，但将频率从100 kHz增加到30 MHz将减少大约10倍。因此，整体SMPS将减少至原始体积的约15％。如图4所示，其中以100 kHz工作的传统20 W LED驱动器与以30 MHz工作的20 W LED驱动器进行比较。

可靠性

LED系统故障的很大一部分是由LED驱动器引起的;一些人声称占绝大多数。在大多数情况下，这是由于电解电容器，因为它们的寿命随温度大大降低，其中的液体蒸发。VHF对电容的需求减少消除（或显着降低）对电解电容器的需求，从而限制了这种故障原因。

此外，对能量存储的需求减少导致空心磁芯成为有芯磁性的可行替代方案。向空心磁场的转变需要频率的显着跳跃，因为没有核心可以实现更小的每体积电感。如果频率增加到VHF范围，则空心和PCB嵌入式磁性元件成为可行的解决方案，因为这些频率所需的电感可以在较小的物理尺寸下进行，并且可以避免磁芯损耗[7]。这不仅显着降低了BOM，而且还提高了LED驱动器的坚固性和机械稳定性，因为磁性元件具有最高的物理质量并且对高温敏感。

高调光效率

另一个强大的好处是提高调光效率。由于非常高的开关频率，可以在调光时调制整个转换器，而不会引起可见的闪烁。通过这种方式，转换器可以在最佳条件下开启并在最高效率下运行，也可以在低损耗下运行。这样可以实现非常平坦的效率曲线。这可以用于在特定灯具中实现更高的调光效率，或者在更广泛的灯具组中使用给定的驱动器，同时实现所有的高效率。

图5显示了在30 MHz下工作的图示20 W室内驱动器的调光效率。

VHF LED驱动器

VHF功率转换器的优势突破了功率转换器的界限。然而，对传统转换器所做的权衡仍然是相关的，因为如果放宽其他参数的规格，仍然可以进一步改进一些参数。主要优化参数通常是尺寸，效率，可靠性，成本和性能。特定的驱动程序设计可以使用VHF的所有优点来改进一个或两个参数，或者将改进扩展到所有参数，如图6中的蜘蛛网所示。

在本节中，将介绍VHF LED驱动器的两个示例。这些驱动器均基于DE级转换器，主要针对尺寸（室内）或可靠性（室外）进行了优化。

紧凑型室内驱动

器图4所示的20 W驱动器针对室内灯具进行了优化，具有纤薄的外形，紧凑的外形，低成本和高调光效率。调光至10％时，效率仅下降5％。

该驱动器的总体高度仅为6 mm。电解电容略高，但可以通过将其分成两个更薄的版本或在PCB中切割来减少。另一种选择是用陶瓷电容器替换电解电容器，如图8所示。这增加了成本，但延长了使用寿命并降低了高度。

可靠的户外驾驶员

户外照明的要求与室内照明不同。虽然尺寸仍然相关，但由于更换故障驱动器的成本，寿命和可靠性是关键参数。图10中的60 W驱动器针对此应用进行了优化。

该驱动器不含电解质，结合良好的电气和热设计，确保在75度TC时的使用寿命超过120,000小时。此外，它还具有8 kV / 4 kA共模和10 kV / 5kA差模的内置浪涌保护，以确保高可靠性和长寿命。驱动程序完全可编程，并具有所有标准控制接口。该驱动器外形纤薄，仅25 mm，体积约为传统SMPS最接近解决方案的一半。

图6：权衡参数

图7：不带电解的紧凑型20 W LED驱动器

图8：无电解60 W LED驱动器

结论

在尺寸和可靠性方面，LED驱动器已成为LED照明的主要瓶颈之一。VHF LED驱动器背后的技术为LED照明提供了基本优势，具有更小的外形，更高的可靠性和更高的调光曲线效率。可以调整给定驾驶员的设计以关注与给定照明应用相关的益处。

随着传统电源解决方案的发展停滞不前以及由于LED的改进不断提高的需求，下一代LED照明需要新的技术和解决方案。通过将射频工业的电路与电力电子的设计方法结合起来，可以设计新的VHF SMPS拓扑，有效地避免开关损耗。在此基础上，减少了被动储能元件的需求，使笨重的磁性元件和温度敏感的电解电容器得以去除。