LED驱动器借助改良降压拓扑电路提升灯泡功率因数 - 全文

　　各国对LED灯泡的功率因数要求日趋严格，让LED驱动电路设计挑战与日俱增，因此半导体业者藉由改良降压拓扑结构，开发出可兼顾小体积、高能效与高功率因数要求的新一代LED驱动方案，有助开发人员设计出功率因数达0.9以上的LED灯泡。

　　随着白炽灯泡逐步被淘汰，节能萤光灯（CFL）和发光二极体（LED）将成为提供显著节能效果的两种照明选择。尽管CFL技术成熟，然白光LED发展快速，每颗LED元件的输出流明与光效已愈来愈高。LED灯泡的使用寿命是标准白炽灯泡二十五倍以上，且光效已超越CFL灯泡的性能水平。

　　大多数常见CFL灯泡中的电子安定器为电容型，典型功率因数（PF）为0.5~0.6。这表示虽然住户仅为灯泡所标示的功率付款，但电力公司实际上必须产生成比例的伏-安（Volt-amp）电量，故功率因数为0.5的13瓦CFL灯泡，代表的是26伏-安的负载，只略低于60瓦白炽灯泡伏-安数的 50%。

　　也因此，美国能源之星（Energy Star）规定功率大于5瓦的LED灯泡最低功率因数须为0.7，而诸如嵌灯及聚光灯等商用LED灯具的最低功率因数须达0.9。放眼全球，美国对LED灯泡的功率因数要求并非最为严格；最严格的当属韩国，该国要求所有输入功率超过5瓦的灯光的最低功率因数须达0.9，此要求将为设计LED驱动电路的设计人员带来挑战，他们必须综合评估能效、可用空间及整体物料清单（BOM）成本，以提供优化LED照明方案。

　　导入降压拓扑结构电路　LED灯泡PF大跃进

　　白炽灯泡只为某个特定线路的电压而设计；但设计师不须要考虑如何使一个通用设计的LED灯泡风行全球。此外，LED灯泡内的电源不须要与负载电气隔离，因其整合在单个壳体（Housing）中；但仍须注意机构的设计，必须以物理方法符合安全要求。考虑到这点，设计人员就不再须要倚赖隔离返驰拓扑结构，做为唯一的电源转换架构选择。

　　在特定边界条件下，可以优化降压拓扑结构来提供良好的功率因数。要提供高功率因数，输入电流要与线路一致，且随着整流线路电压增加而正比例地增长。降压拓扑结构的缺点是输入电压Vin大于输出电压Vout后，才有电流流动，因此LED串电压与线路电压相比必须较低。在大多数情况下，这不成问题，因为与线路电压相比，串联LED的数量相对较少，如八颗串联LED的总电压约为25伏特，不到整流120伏特AC输入峰值电压的15%。

　　高功率因数升压转换器的一种控制方法是固定导通时间控制，这种控制模式下，电感、电流到达零时，将重新开始一个开关周期。为了控制功率，设计人员须使用回馈来调节导通时间，并可运用相同的概念来实现降压拓扑结构。于固定导通时间情况下，流过电感/开关的电流与线路以正比例上升，从而提供接近完美的功率因数，其中的折衷是开关周期顶部的峰值电流可能极大。灯泡应用中并不要求极佳的功率因数；因此，如果开关周期中的某一部分峰值电流被限制，就可以降低开关及电感的损耗，提供更高的转换能效并限制电感尺寸。这方法产生的典型线路电流波形并不能如图1所示那样极贴近正弦曲线。然而，这方法产生的波形轻易地提供大于0.9的功率因数，但折衷则是失真增加。

　　

　　图1 输入电流波形

　　提升灯泡PF　LED控制器扮要角

　　为了应用这种固定导通时间/峰值电流混合机制，半导体业者开发出NCL30002控制器（图2）。

　　

　　图2 功率因数校正降压应用电路图

　　由该控制器电路图可观察到LED参照高压轨；而电源开关则参照地面，此称为反向降压。其可简化架构，主因系可直接感测峰值LED电流，并驱动单结型场效应电晶体（FET），毋须使用位准转换器。

　　在控制器启动开关后，驱动器从电感上的辅助线圈偏置，因而增添一个功能，可以感测到电感、电流降至零时，提示新的开关周期应当展开。精密的485毫伏特 （mV）电压（典型精度±2%）用于对流过开关的峰值电流进行稳流。当Vin超过LED Vf后，固定导通时间控制用于调节LED上的功率，直至达到感测电阻Rsense可以检测到的峰值电流极限。为使AC线路电压于额定电压变化下控制所提供的功率，故使用线路前馈补偿来调制导通时间。

　　在此制作一个18瓦LED驱动电路示例，它适合被结合在替代75瓦A型灯泡的LED灯泡中，以750毫安培电流驱动一串共八颗LED，输出纹波低于±30%。图3是这设计示例的18毫米x60毫米电路板照片；图4可见典型能效高于90%，功率因数高于0.94。

　　

　　图3 采用NCL30002的18瓦LED驱动器电路板示例

　　

　　图4 18.5瓦（24.7伏特@750毫安培）输出情况下的典型性能

　　如上所述，采用优化架构可以解决兼顾小体积、高能效且符合一体式LED灯泡最严格功率因数要求的设计难题。设计人员透过改变金属氧化物半导体场效电晶体 （MOSFET）及减小电感尺寸，可以调校LED灯泡基本设计，用于更低功率的应用。此点至关重要的原因在于，LED制造商增加每颗LED的流明输出，使 LED光效持续提升，进而要求能以更少的LED提供相同流明输出，藉此降低功耗，并减少一体式灯泡的成本，增加市场接受度。