如何通過(guò)初級(jí)端調(diào)節(jié)提高照明效率

本文將介紹一種 “初級(jí)端調(diào)節(jié)”(Primary Side Regulation, PSR)專(zhuān)利技術(shù)。這種PSR控制器無(wú)需次級(jí)端反饋電路，即能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)端中LED驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流。它同時(shí)包含了頻率抖動(dòng)功能來(lái)降低EMI，以及輕載待機(jī)模式來(lái)減小待機(jī)損耗。利用該方案，PSR充電器可以實(shí)現(xiàn)比振鈴扼流圈轉(zhuǎn)換器(Ringing Choke Converter，RCC)和傳統(tǒng)PWM等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更小的外形尺寸、更低的待機(jī)功耗和更高的效率。

全球?qū)?shí)現(xiàn)低功耗和高效率技術(shù)的關(guān)注不斷持續(xù)，由于照明應(yīng)用占了全球近20%的電力資源消耗量，所以照明技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)對(duì)能源狀況產(chǎn)生巨大的影響。LED固態(tài)照明(solid state lighting, SSL)是一種環(huán)保技術(shù)，具有出色的外形尺寸，使用壽命長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換效率高，而且功耗相比傳統(tǒng)的白熾燈低80%或90%。在LED SSL中，LED驅(qū)動(dòng)器扮演著重要的角色，因?yàn)橐克鼇?lái)提供保持穩(wěn)定亮度所需的精確電流。不過(guò)，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)器方案采用次級(jí)反饋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的電壓和電流，而次級(jí)反饋電路會(huì)導(dǎo)致成本和尺寸的增加。

LED照明概述

由于能源需求失衡、能源成本增加，加上全球?qū)Νh(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，節(jié)能綠色技術(shù)變得越來(lái)越重要。照明應(yīng)用的能量損耗可高達(dá)20%，因此利用創(chuàng)新性技術(shù)來(lái)降低能源浪費(fèi)，對(duì)節(jié)能具有重大的影響。能效規(guī)范在全球各地區(qū)日益普及，例如，美國(guó)有能源之星(ENERGY STAR)，而且澳大利亞、歐盟和美國(guó)加州也都宣布將逐步淘汰傳統(tǒng)照明解決方案。

發(fā)光二極管(LED)實(shí)際上與整流二極管一樣，都具有單向?qū)щ娦?。不同于傳統(tǒng)照明技術(shù)，SSL LED是利用半導(dǎo)體來(lái)把電能轉(zhuǎn)換為光能。LED照明相對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

1. LED由DC電壓驅(qū)動(dòng)，即使在低電壓低電流條件下也能保持高亮度。在相同的照明應(yīng)用中，相比其它照明方案，LED可以實(shí)現(xiàn)80%的節(jié)能。高亮度LED的壽命可能長(zhǎng)達(dá)60,000 ~ 100,000個(gè)小時(shí)；而白熾燈泡只有1000個(gè)小時(shí)。此外，LED的反應(yīng)速度很快(100ns ~ 1ns)。

2. LED的單色性良好，常用顏色包括紅、綠、黃和橙色。其顏色可通過(guò)改變電流來(lái)改變，而且不同于傳統(tǒng)冷陰極螢光燈管(CCFL)，LED不含光譜中的紫外線和紅外線輻射，而有害汞金屬元素含量也較少，有利于環(huán)保。

3. LED尺寸小、抗振動(dòng)、沖擊阻力大，另外還可以在燈泡中制備成各種形狀。

與LED、螺旋節(jié)能燈泡和T5熒光燈相比，白熾燈的照明效率只有12lm/W，壽命少于2000小時(shí)；螺旋節(jié)能燈泡的照明效率為60lm/W，壽命約8000小時(shí)；而T5燈泡的的照明效率則為96lm/W，壽命約10,000個(gè)小時(shí)。5mm白色LED的照明效率為20 ~ 28lm/W，壽命約100,000小時(shí)。顯然，較之傳統(tǒng)照明應(yīng)用產(chǎn)品，LED的使用壽命更長(zhǎng)，且特性也更具吸引力。高亮度發(fā)光二極管(High-Brightness Light Emitting Diode, HBLED)是一種大功率高亮度的LED，它的壽命更長(zhǎng)、尺寸更小，而且設(shè)計(jì)靈活，已成為傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)舻奶娲a(chǎn)品。HBLED一般用于以下應(yīng)用：

1. 屏幕顯示和交通燈：各種廣告牌、體育記分板和交通信號(hào)。

2. 車(chē)用照明燈：儀表板指示器、音頻和外部LED剎車(chē)燈、尾燈、邊燈等。

3. 背光：手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦背光。

4. 景觀照明、建筑照明、裝飾燈、街燈和住宅照明。

HB LED作為一種新型的LED照明源綠色產(chǎn)品，必將是未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì)。

采用初級(jí)端調(diào)節(jié)控制器的高亮度LED驅(qū)動(dòng)器

如上所述，LED照明擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但若沒(méi)有適當(dāng)?shù)碾妷汉途_的電流，這些器件的壽命不僅會(huì)縮短，其功耗和熱耗也會(huì)增加，最終對(duì)LED造成無(wú)法挽回的損害。考慮到LED與普通二極管在物理特性方面一樣擁有斜率很大的V-I曲線，因而LED的工作電壓對(duì)工作電流相當(dāng)敏感，若變化很大，便會(huì)影響HB LED單元的壽命。因此，LED的電流對(duì)照明非常重要。基于這個(gè)原因，對(duì)HB LED的壽命而言，帶有出色的恒流技術(shù)的PSR就顯得既重要又有益。LED驅(qū)動(dòng)器一般采用非隔離降壓轉(zhuǎn)換器或隔離反激式轉(zhuǎn)換器。

在傳統(tǒng)的LED控制電路中，離線恒定輸出電流LED驅(qū)動(dòng)器可使用隔離反激式(flyback)轉(zhuǎn)換器配合次級(jí)端電路調(diào)節(jié)輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。這里，LED電流通過(guò)次級(jí)端的一個(gè)sense電阻Ro來(lái)測(cè)量，并通過(guò)光耦合器提供必需的反饋信息。光耦合器在初級(jí)端和次級(jí)端之間形成隔離，并把反饋信號(hào)耦合到初級(jí)端的PWM控制器。為達(dá)到更好的輸出調(diào)節(jié)，PWM控制器通過(guò)光耦合器接收次級(jí)端的反饋信號(hào)，決定MOSFET的占空比。這種方案可提供精確的電流控制，但缺點(diǎn)是器件數(shù)目較多，意味著需要更大的板上空間、更高的成本，而且可靠性也較低。同時(shí)，sense電阻Ro還會(huì)增加功耗，降低恒流調(diào)節(jié)電源效率。近來(lái)，LED驅(qū)動(dòng)器的效率和節(jié)能要求變得越來(lái)越重要，同時(shí)LED應(yīng)用也需要更小的尺寸，因此傳統(tǒng)電路不再滿足相關(guān)要求。本文將介紹一種能夠減少器件數(shù)目并提高效率的初級(jí)端控制方法。

圖1.采用傳統(tǒng)次級(jí)端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動(dòng)器

初級(jí)端調(diào)節(jié)(PSR)技術(shù)是把離線LED驅(qū)動(dòng)器的成本降至最低的最佳解決方案，它無(wú)需在次級(jí)端使用光耦合器，就能夠提供精確的電流控制。PSR的基本原理是采用一種創(chuàng)新性方法，通過(guò)輔助線圈取代次級(jí)端的光耦合器來(lái)檢測(cè)輸出信息，如圖2所示。圖2所示為一個(gè)采用初級(jí)端控制器的反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其主要工作波形。

圖2.采用初級(jí)端控制器的反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路示意圖及其波形

當(dāng)PSR控制器導(dǎo)通MOSFET時(shí)，變壓器電流iP將線性地從零增加到ipk，如算式(1)。 在導(dǎo)通期間，能量存儲(chǔ)在變壓器中。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)(toff)，存儲(chǔ)在變壓器中的能量通過(guò)輸出整流器傳送到功率轉(zhuǎn)換器的輸出端。在此期間，輸出電壓VO和二極管的正向電壓VF被反射到輔助線圈NAUX，輔助線圈NAUX上的電壓可由算式(2)表示。這時(shí)可運(yùn)用一種專(zhuān)有的采樣技術(shù)來(lái)對(duì)反射電壓進(jìn)行采樣，由于輸出整流器的正向電壓變得恒定，故可獲得相關(guān)輸出電壓信息。然后，采樣得到的電壓與精確的參考電壓進(jìn)行比較，形成一個(gè)電壓回路，從而確定MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，并精確調(diào)節(jié)恒定輸出電壓。

(1)

(2)

在這算式中，LP為變壓器初級(jí)線圈的電感；VIN為變壓器的輸入電壓；ton是MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間；NAUX/NS為輔助線圈與次級(jí)輸出線圈的匝數(shù)比；VO是輸出電壓；VF是輸出整流器的正向電壓。

這種采樣方案也使得變壓器的放電時(shí)間(tdis)加倍，如圖2所示，輸出電流IO與變壓器的次級(jí)端電流有關(guān)。IO還可通過(guò)ipk、tdis求得，如算式 (3)所示。PSR控制器利用這個(gè)結(jié)果來(lái)確定MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，并調(diào)節(jié)恒定輸出電流。Sense電阻RSENSE用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流的數(shù)值。

(3)

這里，tS是PSR控制器的開(kāi)關(guān)周期；NP/NS是初級(jí)線圈和次級(jí)輸出線圈的匝數(shù)比；RSENSE為感測(cè)電阻，把變壓器的開(kāi)關(guān)電流轉(zhuǎn)換為電壓VCS。

利用PSR控制器實(shí)現(xiàn)HB LED驅(qū)動(dòng)器

這里使用了一個(gè)HB LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)三個(gè)串聯(lián)HB LED，輸出規(guī)格為12V/0.35A。若采用集成了一個(gè) PSR控制器和一個(gè)600V/1A MOSFET的PSR控制器FSEZ1016A，將有助于減少外部組件數(shù)目，減小PCB面積，降低功耗和MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路上的信號(hào)噪聲，還能夠減少干擾。而專(zhuān)有的綠色模式功能可在輕載和無(wú)載條件下提供非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制，來(lái)線性降低PWM頻率，使待機(jī)功耗最小化，從而輕松滿足大多數(shù)綠色規(guī)范的要求。此外，其內(nèi)置抖頻功能也進(jìn)一步提高了EMI性能。

實(shí)驗(yàn)顯示，采用這種方法，恒流(CC)調(diào)節(jié)精度可達(dá)1.8% ，折回(fold-back)電壓為4V(如圖3所示)，適用于很大的VDD范圍，而且CC能力與輸出電壓有關(guān)。115Vac輸入時(shí)效率為77.66%，230Vac輸入時(shí)效率為77.40%，空載時(shí)最大功率為0.115W。由此可見(jiàn)，利用FSEZ1016A便可以獲得一個(gè)外部組件最少、成本最低的照明解決方案。

圖3.使用PSR控制器的V-I曲線

總結(jié)

隨著業(yè)界對(duì)高能效電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)投放更多力度，照明應(yīng)用需要?jiǎng)?chuàng)新性技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)?。HB LED的優(yōu)勢(shì)在于尺寸小、亮度高、壽命長(zhǎng)，并且環(huán)保。這些優(yōu)勢(shì)都是推動(dòng)該產(chǎn)品逐漸取代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的有利因素。為了提高HB LED的能力，控制電路必須利用恒流來(lái)實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)。本文介紹的“初級(jí)端調(diào)節(jié)”(PSR)專(zhuān)利技術(shù)，只須通過(guò)PSR控制器，即能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)端中LED驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流，無(wú)需次級(jí)端反饋電路，從而實(shí)現(xiàn)尺寸更小、壽命更長(zhǎng)、更環(huán)保的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)顯示PSR能夠提供1.8%的恒流(CC)調(diào)節(jié)精度，在115Vac輸入時(shí)效率為77.66%，230Vac輸入時(shí)效率為77.40%，空載時(shí)最大功率為0.115W。這種PSR技術(shù)是把離線LED驅(qū)動(dòng)器成本降低的最佳解決方案。