如何引入簡單的輔助電路來降低LED照明應用的待機功耗

作者：Wonseok Kang， Youngbae Park

介紹

與普通光源相比，LED燈具有效率高、環(huán)保和使用壽命長的特性，因而它們正在成為降低室內和外部照明能耗的主選解決方案。設計用于照明供電的開關電源也應該具有高效率，以便順應LED燈的節(jié)能特性。除了在正常工作過程中具有高功率轉換效率之外，開關電源的待機功耗也成為LED業(yè)界的普遍關注焦點。在 不遠的將來，待機功耗有望調整到1W甚至300mW以下。然而，在LED照明應用中，專用于待機電源的輔助功率級并不適用，主要是因為照明應用在工作期間 不存在待機條件。但是，為燈泡供電的開關電源即便在沒有燈或者燈已損壞的條件下仍然與電網連接并吸取能量。這是在照明應用中關心待機功率水平的主要原因。

在空的辦公樓中，待機功耗特性不良的照明系統(tǒng)是不環(huán)保的，本文探討如何引入簡單的輔助電路來降低待機功耗。所提議的電路能夠實現(xiàn)功率因數(shù)校正（PFC）級的間歇工作，該PFC級是降低照明開關電源的待機功耗所必需的。為了評估所提議的電路，我們設計了一個額定功率為120W的兩級開關電源，在 寬泛的輸入電壓范圍下可以獲得低于1W的待機功耗。

兩級配置

由于額定功率的原因和改善功率因數(shù)的需求，LED街燈的開關電源通常使用兩級配置，它由第一級的PFC模塊和第二級的下游DC-DC轉換器構成。在100W左右的中等功率范圍，臨界導通模式（CRM）是PFC級合適的控制方案。在這個額定功率范圍中，下游DC-DC轉換器通常采用準諧振反激拓撲。高度集成的FAN6300脈寬調制（PWM）控制器具有一個內部波谷電壓檢測器，能夠保證電源系統(tǒng)在寬泛的線路電壓范圍內工作于準諧振狀態(tài)，并減小開關損 耗，使功率MOSFET漏極上的開關電壓最小化。為了最大限度減小待機功耗和改善輕負載效率，專有的綠色模式功能提供關斷時間（off-time）調制，以便降低開關頻率，并執(zhí)行延長的波谷電壓開關，保證MOSFET在關斷時漏-源電壓保持在最低水平。使用這項特性，第二DC-DC級在無負載條件下進入間 歇工作模式，能夠獲得非常理想的待機功耗特性。大多數(shù)現(xiàn)有的PFC控制器并無間歇工作功能，主要是因為PFC級最初針對消費應用和顯示器應用，而在那些應 用中為PFC和DC-DC級提供電壓源的輔助電源是分離的。在LED照明應用中，通常不采用輔助功率級，因此，應該關斷PFC級，否則待機功耗無法低于1W。

PFC級的間歇工作模式

在兩級開關電源中，應關斷PFC級，以滿足待機功耗法規(guī)的要求。關斷PFC級的主要原因是大多數(shù)PFC控制器沒有間歇工作（Burst- operation）特性。如果PFC控制器不支持間歇工作模式，PFC級將會連續(xù)工作，即便在無負載條件下也會吸取能量。因此，對于帶有現(xiàn)有PFC控制 器的兩級開關電源設計而言，關斷PFC級是唯一可行的方法。但是，在重新啟動PFC級時會出現(xiàn)大的沖擊電流，并導致MOSFET等功率開關上電壓或電流應 力的增加。此外，還會導致LED燈在恒流工作期間出現(xiàn)閃爍。業(yè)界需要找到一種新途徑來滿足待機功耗法規(guī)要求，同時避免上述問題。解決完全關斷PFC級帶來 的這些副作用的一個可行方法是PFC級采用間歇工作方式。

建議使用一種簡單的輔助電路，將PFC的工作與準諧振反激DC-DC轉換器進行同步，因為當DC-DC轉換器開始間歇工作時，PFC級也能夠進入間歇工作模式。一旦第二級反激轉換器結束間歇模式工作，PFC級會立即退出間歇工作模式。圖1為該輔助電路的工作原理。PFC級的偏置電源受到準諧振反激DC-DC轉換器反饋的控制。

圖1：建議的實現(xiàn)PFC級間歇工作的電路

在無負載條件下，當反激轉換器的反饋電壓下降時，PFC級的電源電壓被切斷，PFC控制器停止工作。圖2顯示負載從滿負載到無負載，再到滿負載過程 中的工作波形。一旦第二級反激轉換器進入間歇工作，PFC級便進入間歇工作模式，并與反激轉換器同步停止間歇工作模式。通過對PFC級執(zhí)行間歇工作，可以 消除可能引起潛在問題的大浪涌電流，并且大幅降低待機功耗。為了評測PFC級的間歇工作，使用FAN7930臨界導通模式PFC控制器、帶間歇工作功能的 準諧振反激控制器FAN6300A以及所提議的PFC控制電路，設計了一個用于LED街燈的的120W（48V/2.5A） LEB-016演示線路板。如圖2所示，建議的電路工作出色。表1所示為在各種輸入線路電壓下的待機功耗測量值?？梢宰C明：在寬泛的輸入范圍內，可以使待 機功耗降低80%以上。還可以在高線路輸入電壓下獲得低于0.3W的待機功耗。

圖2：進入間歇工作（左圖）并返回到滿負載工作（右圖）

表1：待機功耗

結論

這是一種簡單但非常有效的改善照明開關電源待機功耗的方法。這個建議的電路可以使PFC級與第二級DC-DC轉換器同步進行間歇工作。這種方法消除了與關閉和重啟PFC級相關的涌入電流問題。建議的電路可以有效降低待機功耗。通過評測線路板驗證，在較寬的輸入電壓范圍內，可以使待機功耗小于1W。所提議的方法對于通常沒有待機功率調節(jié)模塊的照明應用具有很大的吸引力。

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