摘要
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)用佔(zhàn)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)的白熾燈泡低 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)定亮度所需的準(zhǔn)確電流。不過(guò)，傳統(tǒng)的 LED 驅(qū)動(dòng)器方案采用次級(jí)回饋電路來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 的電壓和電流，而次級(jí)回饋電路會(huì)導(dǎo)致成本和尺寸的增加。本文將介紹一種「初級(jí)側(cè)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)側(cè)回饋電路，即能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)側(cè)中 LED 驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流。它同時(shí)包括了頻率抖動(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。

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®)，而且澳洲、歐盟和美國(guó)加州也都宣佈將逐步淘汰傳統(tǒng)照明解決方案。

發(fā)光二極體 (LED) 實(shí)際上與整流二極體一樣，都具有單嚮導(dǎo)電性。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 可以節(jié)能達(dá) 80%。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 1,000 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。其顏色可藉著改變電流來(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 螢光燈相比，白熾燈泡的照明效率只有 12lm/W，壽命少于 2,000小時(shí)；螺旋節(jié)能燈泡的照明效率為 60lm/W，壽命約 8,000 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)光二極體 (High-Brightness Light Emitting Diode, HBLED) 是一種大功率高亮度的 LED，其壽命更長(zhǎng)、尺寸更小，而且設(shè)計(jì)靈活，已成為傳統(tǒng)白熾燈泡和鹵素?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：各種看板、體育記分板和交通訊號(hào)。
2. 車(chē)用照明燈：儀表板指示器、音訊和外置式 LED 剎車(chē)燈、尾燈、邊燈等。
3. 背光：手機(jī)、數(shù)位相機(jī)和筆記型電腦背光。
4. 景觀照明、建筑照明、裝飾燈、街燈和住宅照明。

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

采用初級(jí)側(cè)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)碾妷汉蜏?zhǔn)確的電流，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 與普通二極體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。在這種情況下，對(duì) HB-LED 的壽命而言，帶有出色的恆流技術(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 (flyback) 轉(zhuǎn)換器。

在傳統(tǒng)的 LED 控制電路中，離線恆定輸出電流 LED 驅(qū)動(dòng)器可使用隔離反激式轉(zhuǎn)換器配合次級(jí)側(cè)電路調(diào)節(jié)輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。這裡，LED電流通過(guò)次級(jí)側(cè)的一個(gè)感測(cè)電阻 Ro 來(lái)測(cè)量，并借助光耦合器提供必須的回饋資訊。光耦合器在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間形成隔離，并把反饋訊號(hào)耦合到初級(jí)側(cè)的 PWM 控制器。為了達(dá)到更好的輸出調(diào)節(jié)，PWM 控制器利用光耦合器接收次級(jí)側(cè)的反饋訊號(hào)，以決定 MOSFET 的佔(zhàn)空比。這種方案可提供準(zhǔn)確的電流控制，但缺點(diǎn)是器件數(shù)目較多，意味著需要更大的電路板空間、更高的成本，而且可靠性也較低。同時(shí)，感測(cè)電阻 RO 還會(huì)增加功耗，降低恆流調(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(mǎn)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)側(cè)控制方法。

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

初級(jí)側(cè)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)側(cè)使用光耦合器，就能夠提供準(zhǔn)確的電流控制。PSR的基本原理是采用一種創(chuàng)新性方法，利用輔助線圈取代次級(jí)側(cè)的光耦合器來(lái)檢測(cè)輸出資訊，如圖2所示。圖2所示為一個(gè)采用初級(jí)側(cè)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)側(cè)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?jī)?chǔ)存在變壓器中。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí) (toff)，儲(chǔ)存在變壓器中的能量借助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 和二極體的正向電壓 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)有的取樣技術(shù)來(lái)對(duì)反射電壓進(jìn)行取樣，由于輸出整流器的正向電壓變得恆定，故可獲得相關(guān)輸出電壓資訊。然后，取樣得到的電壓與準(zhǔn)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，并準(zhǔn)確調(diào)節(jié)恆定輸出電壓。

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。

這種採(cǎi)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)側(cè)電流有關(guān)。IO 還可利用 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)恆定輸出電流。Sense電阻 RSENSE 用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流的數(shù)值。
 

這裡，tS 是 PSR 控制器的開(kāi)關(guān)週期；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
這裡使用了一個(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。若采用整合了一個(gè) PSR控制器和一個(gè) 600V/1A MOSFET 的PSR 控制器 FSEZ1016A，將有助于減少外部元件數(shù)目，減小 PCB面積，降低功耗和 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器電路上的訊號(hào)雜訊，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(mǎn)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，恆流 (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)外部元件最少、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)
隨著產(chǎn)業(yè)界對(duì)高能效電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)投入更多，照明應(yīng)用需要?jiǎng)?chuàng)新性技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)白熾燈泡和鹵素?zé)?。HBLED 的優(yōu)勢(shì)在于尺寸小、亮度高、壽命長(zhǎng)，而且環(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 HBLED 的能力，控制電路必須利用恆流來(lái)實(shí)現(xiàn) LED 驅(qū)動(dòng)。本文介紹的「初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)」 (PSR) 專(zhuān)利技術(shù)，只須利用 PSR 控制器，就能夠準(zhǔn)確調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)側(cè)中 LED 驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流，無(wú)需次級(jí)側(cè)反饋電路，從而實(shí)現(xiàn)尺寸更小、壽命更長(zhǎng)和更環(huán)保的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)顯示 PSR 能夠提供 1.8% 的恆流 (CC) 調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度，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。

BY Peter Hsieh、Leon Lee 及 Kevin Hsueh , Fairchild Semiconductor(快捷半導(dǎo)體)