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)境問題的關(guān)注，節(jié)能綠色技術(shù)變得越來越重要。照明應(yīng)用的能量損耗可高達20%,因此利用創(chuàng)新性技術(shù)來降低能源浪費，對節(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，美國有能源之星（ENERGYSTAR?），而且澳洲、歐盟和美國加州也都宣布將逐步淘汰傳統(tǒng)照明解決方案。
發(fā)光二極體 （LED） 實際上與整流二極體一樣，都具有單向?qū)щ娦浴２煌趥鹘y(tǒng)照明技術(shù)，SSL LED是利用半導(dǎo)體來把電能轉(zhuǎn)換為光能。LED 照明相對傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢如下：
1. LED 由 DC 電壓驅(qū)動，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80%.高亮度 LED 的壽命可能長達 60,000 ~ 100,000 個小時；而白熾燈泡只有 1,000 個小時。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、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；螺旋節(jié)能燈泡的照明效率為 60lm/W,壽命約 8,000 小時；而T5燈泡的的照明效率則為96lm/W,壽命約10,000個小時。5mm 白色 LED 的照明效率為20 ~ 28lm/W,壽命約100,000小時。顯然，較之傳統(tǒng)照明應(yīng)用產(chǎn)品，LED 的使用壽命更長，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、尺寸更小，而且設(shè)計靈活，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。
2. 車用照明燈：儀表板指示器、音訊和外置式 LED 剎車燈、尾燈、邊燈等。
3. 背光：手機、數(shù)位相機和筆記型電腦背光。
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，必將成為未來發(fā)展的新趨勢。
采用初級側(cè)調(diào)節(jié)控制器的高亮度LED驅(qū)動器
如上所述，LED 照明擁有諸多優(yōu)勢，但若沒有適當(dāng)?shù)碾妷汉蜏蚀_的電流，這些器件的壽命不僅會縮短，其功耗和熱耗也會增加，最終對 LED造成無法挽回的損害�？紤]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的工作電壓對工作電流相當(dāng)敏感，若變化很大，便會影響 HB-LED 單元的壽命。因此，LED 的電流對照明非常重要。在這種情況下，對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，離線恒定輸出電流 LED驅(qū)動器可使用隔離反激式轉(zhuǎn)換器配合次級側(cè)電路調(diào)節(jié)輸出電流來實現(xiàn)，如圖1所示。這里，LED電流通過次級側(cè)的一個感測電阻 Ro來測量，并借助光耦合器提供必須的回饋資訊。光耦合器在初級側(cè)和次級側(cè)之間形成隔離，并把反饋訊號耦合到初級側(cè)的 PWM控制器。為了達到更好的輸出調(diào)節(jié)，PWM 控制器利用光耦合器接收次級側(cè)的反饋訊號，以決定 MOSFET的占空比。這種方案可提供準確的電流控制，但缺點是器件數(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，感測電阻RO 還會增加功耗，降低恒流調(diào)節(jié)電源效率。近來，LED 驅(qū)動器的效率和節(jié)能要求變得越來越重要，同時 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側(cè)控制方法。
圖1 采用傳統(tǒng)次級側(cè)調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的 LED 驅(qū)動器
初級側(cè)調(diào)節(jié) （PSR） 技術(shù)是把離線 LED驅(qū)動器的成本降至最低的最佳解決方案，它無需在次級側(cè)使用光耦合器，就能夠提供準確的電流控制。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側(cè)的光耦合器來檢測輸出資訊，如圖2所示。圖2所示為一個采用初級側(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，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，能量儲存在變壓器中。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時（toff），儲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。這時可運用一種專有的取樣技術(shù)來對反射電壓進行取樣，由于輸出整流器的正向電壓變得恒定，故可獲得相關(guān)輸出電壓資訊。然后，取樣得到的電壓與準確的參考電壓進行比較，形成一個電壓回路，從而確定MOSFET 的導(dǎo)通時間，并準確調(diào)節(jié)恒定輸出電壓。
在這算式中，LP 為變壓器初級線圈的電感；VIN 為變壓器的輸入電壓； ton 是MOSFET 的導(dǎo)通時間；NAUX/NS為輔助線圈與次級輸出線圈的匝數(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間 （tdis） 加倍，如圖2所示，輸出電流 IO 與變壓器的次級側(cè)電流有關(guān)。IO 還可利用ipk、tdis 求得，如算式 （3） 所示。PSR 控制器利用這個結(jié)果來確定 MOSFET的導(dǎo)通時間，并調(diào)節(jié)恒定輸出電流。Sense電阻 RSENSE 用來調(diào)節(jié)輸出電流的數(shù)值。
這里，tS 是 PSR 控制器的開關(guān)周期；NP/NS 是初級線圈和次級輸出線圈的匝數(shù)比；RSENSE為感測電阻，把變壓器的開關(guān)電流轉(zhuǎn)換為電壓 VCS .
利用 PSR 控制器實現(xiàn) HB LED 驅(qū)動器
這里使用了一個 HB LED 驅(qū)動器來驅(qū)動三個串聯(lián)HB LED ,輸出規(guī)格為12V/0.35A.若采用整合了一個 PSR控制器和一個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)動器電路上的訊號雜訊，還能夠減少干擾。而專有的綠色模式功能可在輕載和無載條件下提供非導(dǎo)通時間調(diào)制，來線性降低 PWM頻率，使待機功耗最小化，從而輕松滿足大多數(shù)綠色規(guī)范的要求。此外，其內(nèi)置抖頻功能也進一步提高了EMI性能。
實驗顯示，采用這種方法，恒流 （CC） 調(diào)節(jié)精度可達 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輸入時效率為77.66%,230Vac輸入時效率為77.40%,空載時最大功率為0.115W.由此可見，利用FSEZ1016A便可以獲得一個外部元件最少、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)界對高能效電子產(chǎn)品開發(fā)投入更多，照明應(yīng)用需要創(chuàng)新性技術(shù)來取代傳統(tǒng)白熾燈泡和鹵素?zé)簟BLED的優(yōu)勢在于尺寸小、亮度高、壽命長，而且環(huán)保。這些優(yōu)勢都是推動該產(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，控制電路必須利用恒流來實現(xiàn) LED 驅(qū)動。本文介紹的「初級側(cè)調(diào)節(jié)」 （PSR） 專利技術(shù)，只須利用 PSR控制器，就能夠準確調(diào)節(jié)變壓器初級側(cè)中 LED驅(qū)動器的電壓和電流，無需次級側(cè)反饋電路，從而實現(xiàn)尺寸更小、壽命更長和更環(huán)保的產(chǎn)品。實驗顯示 PSR 能夠提供 1.8% 的恒流（CC） 調(diào)節(jié)準確度，在 115Vac 輸入時效率為 77.66%,230Vac 輸入時效率為77.40%,空載時最大功率為0.115W.這種 PSR技術(shù)是把離線 LED 驅(qū)動器成本降低的最佳解決方案。
BYPeter Hsieh、Leon Lee 及 KevinHsueh ,FairchildSemiconductor（快捷半導(dǎo)體） 全球?qū)崿F(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)的進步，會對能源狀況產(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，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 LEDSSL 中，LED 驅(qū)動器扮演著重要的角色，因為要靠它來提供保持穩(wěn)定亮度所需的準確電流。不過，傳統(tǒng)的 LED驅(qū)動器方案采用次級回饋電路來驅(qū)動 LED 的電壓和電流，而次級回饋電路會導(dǎo)致成本和尺寸的增加。本文將介紹一種「初級側(cè)調(diào)節(jié)」（Primary Side Regulation, PSR） 專利技術(shù)。這種 PSR控制器無需次級側(cè)回饋電路，即能夠精確調(diào)節(jié)變壓器初級側(cè)中 LED驅(qū)動器的電壓和電流。它同時包括了頻率抖動功能來降低EMI,以及輕載待機模式來減小待機損耗。利用該方案，PSR充電器可以實現(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)計更小的外形尺寸、更低的待機功耗和更高的效率。
