【導讀】LED照明市場一直是LED產業中的中流砥柱。LED照明應用按照功率范圍劃分可分為三種，低功率≤20W；中功率20-50W之間；高功率高于50W。但是按照這些規格制作的LED燈應用到實際中總是不能符合。本文主要討論了≤20W的低功率LED照明，制定了LED驅動器的解決方案。
根據Strategies Unlimited的最新LED年度報告，2013年照明領域LED的全球銷售額為44億美元，（LED全球市場： 2014年市場回顧和預測）。 按2013年到2018年27.5 %的年增長率預測，到2018年銷售額有望達到149億美元。巨大且不斷增長的市場潛力要求LED驅動器提高效能（效能是每瓦流明數的比率）、降低成本和 延長工作壽命。
美國 能源部(DOE)預測高亮度LED的潛力會超越迄今的傳統技術。圖 1和圖 2所示為能效提高的趨勢。能效的分母為輸入功率，而輸入功率和將能量傳遞給LED燈串的效率與LED驅動器解決方案相關。單一驅動器拓撲結構在整個 LED 功率范圍內不是最佳結構，但可以考慮以最少的拓撲來滿足全部 LED 驅動器開發的需求。
下面，我們將討論LED驅動器標準和機構要求。
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LED驅動器標準和機構要求
用于規范LED驅動器產品的標準和機構有許多，自愿和強制性方案都有。
表1為關于照明的幾個機構的示例。
表1:全球機構規范范例
該列表應包括 FCC 要求 47 CFR的 第 15 部分，A 類和 B 類，諧波發射限值 ANSI C82.77-2002 或 IEC 61000-3-2，UL 8750 安全標準或 IEC 60650 第 1 部分，線路瞬態保護 IEEE C62.41.1991，A 類或 A 類可聞噪聲。 LM-80： 用于確定 LED 及 LED 模塊（而非光源）的流明維持率的指定程序。 LM79：用于測量發光效能的指定程序。 TM-21：用于確定期望使用壽命的指定方法。 最后，但并非最不重要的一點是，用于 LED 器件陣列或系統的NEMA SSL 1電子驅動器。
適用標準的清單較長，同時”能源之星”方案要求的審查突出了許多 LED 驅動器設計要求，如 表 2 所示。 所列項目都集中于 LED 驅動器，而不一定是燈泡或燈具。
表2：LED驅動器的具體標準和機構要求
闡明了標準和要求后，現在我們可以開始考慮驅動器設計事宜了。 下面我們將談談最常用LED燈具型號中的兩種（MR11和MR16）的驅動器設計。
MR11/16 LED驅動設計
在當今低功率LED照明趨勢的解決方案系列的第二部分中，我們列舉了設計師需要參考的各種規范和行業標準，以便了解任何既定項目中關于LED驅動減少功耗、功率因數校正和低THD的設計限制。除了相關規范和標準，還需考慮很多其它可能影響設計的因素。包括：
●開發周期和設計復雜性
●效率和效能
●工作溫度
●無閃爍和無閃光
●恒流輸出容差
●供應商選擇與整合
●驅動器的成本、可靠性和使用壽命
●保護功能—— 過壓保護(OVP)、過流保護(OCP)、過溫保護(OTP)、短路LED、開路LED
●有限的印刷電路板 (PCB) 空間或體積（高度）限制
●找到滿足輸入和輸出電壓-電流參數、散熱設計、安全法規和保護需求的電源拓撲
●調光及調光范圍（切相調光器要求、調光比、浪涌電流限制、阻尼電路、泄放電路等）
MR11和MR16（MR表示“多面反射鏡”外罩）燈泡通常是鹵素燈，常見類型的額定值有20W、35W和50W。典型的現有鹵素燈設計如圖5所示。
圖5：現有的傳統鹵素燈基本結構
輸入電壓可以是 DC 12V 或 24V 或直接插入到 120V 或 230V AC 電源。12V或24V電壓也可來自簡單變壓器，后者接受電網AC電壓并輸出12V/24V AC輸入至燈具插座。LED 替代產品需要恒流控制。4W led MR燈相當于20W鹵素燈設計。某些型號具有調光特性，同時調光的目的是為增加可用性。
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MR11/16 燈 LED 驅動設計挑戰
MR11/16設計的最大難題在于缺乏燈架、燈泡形狀、功率因數、總諧波失真要求的標準（能源之星要求在>5W時LED照明產品≥0.9，集成燈具≥0.7），同時系統功效低。必須考慮燈的尺寸來設計LED驅動器的小巧空間，因為驅動器必須容納在圖6的燈具內。
圖6：MR 燈的尺寸
有兩種印刷電路板外觀形狀。圖6所示產品是圓形的，以適應LED模組的背面形狀。圓形直徑應小于 30 毫米，較高的元件位于距中心接頭 5 毫米范圍內。圖7所示產品是垂直的；必須小于30 x 20 666mm。
圖7：MR 燈圓形印刷電路板設計
圖8： MR 燈立式印刷電6路板設計
MR11/16飛兆半導體公司解決方案合適的LED驅動器拓撲可以實現最佳成本解決方案。如果7輸入電壓為 12V 或 24V DC，可選擇升壓或降壓拓撲結構作為 LED 驅動器 DC-DC 拓撲結構。如果 LED 8燈串的總正向電壓高于整流輸入電壓，則使用升壓拓撲結構。否則，使用降壓拓撲結構。DC-DC 功率級效率較高。一般情況下，該功率可高達 90%。然而，鎮流器變壓器效率很差。鎮流器變壓器不是開關模式電源(SMPS)，而是將110V/220Vac轉換為12V/24Vac的變壓器。雖然 DC-DC 功率級效率高，但 AC-DC 變壓器及 DC-DC 拓撲結構的系統總效率較低。
對于 MR LED 燈驅動器，需要解決系統效率低、功率因數校正和總體諧波失真要求，以適合有限的小型印刷電路板空間。目前使用 AC-DC 變壓器加 DC-DC 拓撲結構的解決方案是當前已經安裝的結構： 鹵素燈插座和鎮流器變壓器。這可以節省安裝投資成本，但會犧牲電力效率。這種基礎設施將被更有效的結構所取代。制造商也開始將 AC-DC MR 燈推向市場。
AC-DC MR 燈把 LED 驅動器集成到燈殼體，而不需要鎮流器變壓器。在此結構中，總功率效率可能達到 80% 以上。一般情況下，既將 AC-DC LED 驅動電路板構建到小的燈殼體內，又同時滿足應用場景的功率因數和總體諧波失真要求并非易事。還有一種首選方法，就是不使用壽命時間小于其他半導體元件或無 源電氣元件（如電阻、陶瓷電容器和電感器）的電解電容器。AC-DC MR 型 LED 燈的設計是一個新的設計挑戰。
Fairchild建議采用新的LED驅動器來解決AC-DC問題；如圖9所示的FL7701。它是“智能”非隔離PFC降壓LED驅動器解決方案。利用直接AC線路輸入電壓，可能獲得適應MR燈具的較小PCB外形。此LED驅動設備避免了常用于輸入、輸出和IC Vcc電 壓的電解電容。省去電解電容可延長產品壽命并減少印刷電路板空間，同時降低材料清單成本。使用幾個外部元件便可滿足功率因數 (PF) 和總體諧波失真要求，同時實現 80% 以上的效率。相對于升壓設計，降壓拓撲結構還具有恒定輸出電流（降低紋波電流）的優勢，因為電感器與輸出串聯放置，即降壓拓撲結構看起來像是 LED 負載的恒定電流源。升壓拓撲結構的輸出電流是不連續的，除非使用輸出電容來過濾紋波電流。波形比較如圖 10所示。
圖9：智能非隔離式功率因數校正降壓LED驅動解決方案
圖10： 降壓和升壓拓撲比較
A19、E14/17、E26/27 球泡燈LED 驅動器設計
我們已經討論了 MR11/16 燈 LED 驅動器設計的難題。現在，我們來看看 A19、E14/17、E26/27 球泡燈 LED 驅動器的設計。
某些燈泡類型稱為“螺口燈頭”和“蠟燭燈”。大多數是用 CFL 或 LED 替代的白熾燈，贏得了大多數應用需求。
A19、E14/17、E26/27 螺口燈泡結構
輸入電壓直接來自交流電源，插座類型為： E14/17（蠟燭型）、A19/E26/27（螺口式）（對于蠟燭型燈，額定功率為1~5W；對于白熾燈替換，額定功率為 4~17W。） 外形尺寸如圖11和圖12所示。
圖11：蠟燭型燈示例（(L： 99 毫米，D： 26 毫米，E： 17 毫米）
圖12：螺口燈泡示例（L： 105 毫米，D：55 毫米，B：26 毫米）
A19、E14/17、E26/27 螺口燈泡 LED 驅動器設計挑戰
對于蠟燭型燈，該 LED 驅動器的設計挑戰是小型印刷電路板空間。該印刷電路板空間小于 MR 燈空間，并工作于 AC 輸入電壓電源。采用 LED 驅動器設計來替換白熾燈，其印刷電路板空間比蠟燭型燈或 MR 型燈大，額定功率也較大，因此 LED 驅動器也較大。印刷電路板空間受到限制，類似于蠟燭型燈。對于螺口燈泡設計，功率因數和總體諧波失真幾乎是強制性要求，還有額外的調光器操作要求。
對于具有燈座側拋物線形狀的E26/27 燈泡，印刷電路板的外形尺寸為燈座側： 20 毫米；LED 模組側： 35 毫米；寬度： 70 毫米（參見圖 13）。
圖13：E26/E27 印刷電路板外形尺寸示例
效率需大于75%。調光器的設計要求包括與各種保持電流兼容、在大范圍的光振幅內呈線性方式工作、以及無閃爍。
A19、E14/17、E26/27 螺口燈泡Fairchild解決方案
在安全性方面，隔離型驅動器為首選。在該功率范圍內，首選的 LED 驅動器解決方案是反激式拓撲結構。對于蠟燭型燈，功率因數和總體諧波失真雖然是低功率應用，但仍為強制性要求。很多設計人員使用單級反激式解決方案。單級 功率因數校正反激式拓撲結構減少了印刷電路板的尺寸，因為它可省去大體積輸入電解電容器。使用單級初級端調節(PSR)反激式解決方案可進一步減少元件數 量。憑借其低材料清單 (BOM) 成本、隔離特性、功率因數校正及寬泛的輸入電壓范圍，PFC PSR 反激拓撲有望成為首選的 LED 驅動器拓撲結構。
在 PSR 拓撲中，無需次級端反饋，因此無需光隔離器、誤差放大器（如 TL431），以及補償和偏置電阻和電容。圖 14 顯示簡易 PSR 原理圖。
圖14：初級端調節器原理圖
[page] 初級端調節反激式拓撲結構的優點包括：
●單級解決方案限制了元件數量并最終適合較小的設計空間。
●FL103 50kHz 的工作開關頻率有助于反激式磁性變壓器適合體積受限的應用。
●具有 FSEZ1317 的集成式 MOSFET 減少了元件數量，從而節省了額外的印刷電路板空間。
●初級端調節拓撲結構中元件減少有助于應對降低成本的壓力。
●無需次級反饋電路，這將立即減少元件數量并提高可靠性（省去光隔離器或 TL431）。
●Fairchild 的 PSR 拓撲包括 TRUECURRENT技術，業界領先的恒流性能 < ±3 %，提供始終如一的高質量光照射。
●解決方案已采用隔離方式。
●單級反激式拓撲結構可滿足功率因數和總體諧波失真要求。
初級端調節反激式拓撲結構工作于兩種模式：恒定電壓 (CV) 和恒定電流 (CC)。LED 驅動器應在恒流模式下運行，以便更好地控制 LED 燈串的照明亮度輸出。圖 15 顯示 PSR 調節反激的 I-V 特性。
圖15：初級端調節反激式 LED 驅動器的 I-V 輸出特性
PSR最好采用非連續導通模式 (DCM)，因為此模式支持更好的輸出調節。典型的波形如 圖 16所示。
圖16：DCM反激式轉換器的波形
當工作在恒定電壓調節模式下時，在電感器電流放電時間 tDIS 期間，輸出電壓與二極管正向電壓降之和會反射回輔助繞組端。由于二極管正向電壓降隨電流減少而減少，輔助繞組電壓反映了二極管導通時間 tDIS結束時的輸出電壓。通過在二極管導通時間結束時對輔助繞組電壓進行采樣，可以獲得輸出電壓信息。
當工作于恒定電流調節模式下時，使用峰值漏極電流 IPEAK和電感器電流放電時間 tDIS 以估算出輸出電流，因為輸出電流與在穩定狀態下與二極管電流的平均值相同。采用 Fairchild 的 TRUECURRENT技術，恒流輸出可得到更準確地控制。
最后我們將討論PAR16、20、30、38燈LED驅動器設計。
PAR16、20、30、38 燈 LED 驅動器設計
這是我們LED照明趨勢的最后一部分。在這一部分我們將談談PAR16、20、30、38 燈驅動器。這些燈型均為交流電壓輸入，額定功率在 4 W~20 W 之間，燈座為螺口型 E26/27 或 2 引腳型 GU10，如 圖 17所示。
圖17：PAR 燈尺寸示例（L： 95mm, D: 92mm, B: 26mm)
因較大的燈體積，有了更多空間來容納 LED 驅動器解決方案。功率因數和低總體諧波失真仍為強制性要求。
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PAR16、20、30、38 燈 LED 驅動器設計面臨的挑戰
LED 驅動器設計人員可以選擇 PSR PFC 反激，即單級 PFC 反激。 然而，對于這種反激式驅動器，當這些LED 燈功率較大時可在通過 MOSFET上產生較高的 Vds,peak，因而需要 BVDss 額定值較高的 MOSFET 產品。 BVDss 額定值必須降額來適應高電壓尖峰。 圖18顯示電壓尖峰為Vds,peak = Vin+nVo+Vos之和。其中，nVo是反射的輸出電壓，也稱為 Vro。
緩沖器用于限制 Vos 峰值電壓尖峰，但會消耗能量，從而降低 LED 驅動器的效率：
PAR16、20、30、38 燈-Fairchild解決方案
以前博客中介紹的 PSR PFC 解決方案對該 LED 驅動器拓撲結構仍然是一個好的選擇。 然而，在某些設計中，另一個好的解決方案是具有 CRM PFC 功能的單級反激式控制 PWM IC。 其優點是設計復雜性低、效率良好。 與復雜的兩級方法解決方案相比，單級功率因數校正方案提供了高功率因數和低總諧波失真，且不需要輸入大容量電解電容。 圖 19 為單級功率因數校正的基本線路圖。
圖19：典型單級功率因數校正反激式解決方案原理圖
Fairchild 的解決方案如表4所示，單級反激式解決方案與兩級方法解決方案的比較如表5所示。
表4： Fairchild 的單級功率因數校正反激式解決方案
表5：單級與兩級 LED 驅動器之比較
結語
本文回顧了低功率LED驅動器應用的發展趨勢和挑戰。雖然不同類型的LED燈存在差異，但不同類型燈使用的 LED 驅動器僅有少許不同的要求。 在一般情況下，基本要求相似： 低材料清單數量和成本、小尺寸印刷電路板、高效率、高功率因數、低總諧波失真。 Fairchild的解決方案包括 AC-DC 非隔離功率因數校正降壓拓撲結構或單級功率因數校正初級端調節離線拓撲結構，減少了對多個供應商和技術投入的需要。
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