低功率( ≤20W) LED照明解决方案

来源：飞兆工程师博客

低功率LED照明趋势

LED照明应用可分为三种基本输入功率范围： 低功率为小于或等于20瓦；中功率为20瓦至50瓦之间；高功率为高于50瓦。在现实世界中，应用场景不会总是很好地符合这三种规格。但在考虑 LED 驱动器解决方案时，应以这些功率大小为基础。

本文讨论了≤20W的低功率应用，特别是球形灯泡的替换或改型、现有灯具的替代，以及新制造灯具。

根据Strategies Unlimited的最新LED年度报告，2013年照明领域LED的全球销售额为44亿美元，（LED全球市场： 2014年市场回顾和预测）。 按2013年到2018年27.5 %的年增长率预测，到2018年销售额有望达到149亿美元。巨大且不断增长的市场潜力要求LED驱动器提高效能（效能是每瓦流明数的比率）、降低成本和 延长工作寿命。

美国 能源部(DOE)预测高亮度LED的潜力会超越迄今的传统技术。图 1和图 2所示为能效提高的趋势。能效的分母为输入功率，而输入功率和将能量传递给LED灯串的效率与LED驱动器解决方案相关。单一驱动器拓扑结构在整个 LED 功率范围内不是最佳结构，但可以考虑以最少的拓扑来满足全部 LED 驱动器开发的需求。



LED驱动器的另一常见设计约束是成本。DOE的目前近似成本如图 3所示；驱动器占总制造成本的10%到20%。无论性能如何提高，总成本目标是最终用户接受LED照明解决方案的最大障碍。DOE的2011固态照明市场 讲座中建议的成本目标如图4所示，几乎是每四年减少50%。



工作寿命与LED驱动器本身的可靠性有关。影响可靠性的因素有元件数量、所用元件类型，以及LED驱动器中的温度或者散热情况。可靠性可使用部件计 数方法来计算，目标是减少驱动器中使用的元件。可靠性还受工作温度的影响；因此，减少与LED驱动器元件相关的功率损失以及拓扑控制方法与散热设计一样重 要。发展趋势是省去电解电容和光隔离器等元件，并将功能集成到半导体控制芯片中。

下面，我们将讨论LED驱动器标准和机构要求。

LED驱动器标准和机构要求

用于规范LED驱动器产品的标准和机构有许多，自愿和强制性方案都有。

表1为关于照明的几个机构的示例。

表1:全球机构规范范例


该列表应包括 FCC 要求 47 CFR的 第 15 部分，A 类和 B 类，谐波发射限值 ANSI C82.77-2002 或 IEC 61000-3-2，UL 8750 安全标准或 IEC 60650 第 1 部分，线路瞬态保护 IEEE C62.41.1991，A 类或 A 类可闻噪声。 LM-80： 用于确定 LED 及 LED 模块（而非光源）的流明维持率的指定程序。 LM79：用于测量发光效能的指定程序。 TM-21：用于确定期望使用寿命的指定方法。 最后，但并非最不重要的一点是，用于 LED 器件阵列或系统的NEMA SSL 1电子驱动器。

适用标准的清单较长，同时”能源之星”方案要求的审查突出了许多 LED 驱动器设计要求，如 表 2 所示。 所列项目都集中于 LED 驱动器，而不一定是灯泡或灯具。

表2：LED驱动器的具体标准和机构要求


阐明了标准和要求后，现在我们可以开始考虑驱动器设计事宜了。 下面我们将谈谈最常用LED灯具型号中的两种（MR11和MR16）的驱动器设计。

MR11/16 LED驱动设计

在当今低功率LED照明趋势的解决方案系列的第二部分中，我们列举了设计师需要参考的各种规范和行业标准，以便了解任何既定项目中关于LED驱动减少功耗、功率因数校正和低THD的设计限制。除了相关规范和标准，还需考虑很多其它可能影响设计的因素。包括：

●开发周期和设计复杂性
●效率和效能
●工作温度
●无闪烁和无闪光
●恒流输出容差
●供应商选择与整合
●驱动器的成本、可靠性和使用寿命
●保护功能—— 过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、过温保护(OTP)、短路LED、开路LED
●有限的印刷电路板 (PCB) 空间或体积（高度）限制
●找到满足输入和输出电压-电流参数、散热设计、安全法规和保护需求的电源拓扑
●调光及调光范围（切相调光器要求、调光比、浪涌电流限制、阻尼电路、泄放电路等）

MR11和MR16（MR表示“多面反射镜”外罩）灯泡通常是卤素灯，常见类型的额定值有20W、35W和50W。典型的现有卤素灯设计如图5所示。


图5：现有的传统卤素灯基本结构

输入电压可以是 DC 12V 或 24V 或直接插入到 120V 或 230V AC 电源。12V或24V电压也可来自简单变压器，后者接受电网AC电压并输出12V/24V AC输入至灯具插座。LED 替代产品需要恒流控制。4W led MR灯相当于20W卤素灯设计。某些型号具有调光特性，同时调光的目的是为增加可用性。

MR11/16 灯 LED 驱动设计挑战

MR11/16设计的最大难题在于缺乏灯架、灯泡形状、功率因数、总谐波失真要求的标准（能源之星要求在>5W时LED照明产品≥0.9，集成灯具≥0.7），同时系统功效低。必须考虑灯的尺寸来设计LED驱动器的小巧空间，因为驱动器必须容纳在图6的灯具内。


图6：MR 灯的尺寸

有两种印刷电路板外观形状。图6所示产品是圆形的，以适应LED模组的背面形状。圆形直径应小于 30 毫米，较高的元件位于距中心接头 5 毫米范围内。图7所示产品是垂直的；必须小于30 x 20 666mm。


图7：MR 灯圆形印刷电路板设计


图8： MR 灯立式印刷电6路板设计

MR11/16飞兆半导体公司解决方案

合适的LED驱动器拓扑可以实现最佳成本解决方案。如果7输入电压为 12V 或 24V DC，可选择升压或降压拓扑结构作为 LED 驱动器 DC-DC 拓扑结构。如果 LED 8灯串的总正向电压高于整流输入电压，则使用升压拓扑结构。否则，使用降压拓扑结构。DC-DC 功率级效率较高。一般情况下，该功率可高达 90%。然而，镇流器变压器效率很差。镇流器变压器不是开关模式电源(SMPS)，而是将110V/220Vac转换为12V/24Vac的变压器。虽然 DC-DC 功率级效率高，但 AC-DC 变压器及 DC-DC 拓扑结构的系统总效率较低。

对于 MR LED 灯驱动器，需要解决系统效率低、功率因数校正和总体谐波失真要求，以适合有限的小型印刷电路板空间。目前使用 AC-DC 变压器加 DC-DC 拓扑结构的解决方案是当前已经安装的结构： 卤素灯插座和镇流器变压器。这可以节省安装投资成本，但会牺牲电力效率。这种基础设施将被更有效的结构所取代。制造商也开始将 AC-DC MR 灯推向市场。

AC-DC MR 灯把 LED 驱动器集成到灯壳体，而不需要镇流器变压器。在此结构中，总功率效率可能达到 80% 以上。一般情况下，既将 AC-DC LED 驱动电路板构建到小的灯壳体内，又同时满足应用场景的功率因数和总体谐波失真要求并非易事。还有一种首选方法，就是不使用寿命时间小于其他半导体元件或无 源电气元件（如电阻、陶瓷电容器和电感器）的电解电容器。AC-DC MR 型 LED 灯的设计是一个新的设计挑战。

Fairchild建议采用新的LED驱动器来解决AC-DC问题；如图9所示的FL7701。它是“智能”非隔离PFC降压LED驱动器解决方案。利用直接AC线路输入电压，可能获得适应MR灯具的较小PCB外形。此LED驱动设备避免了常用于输入、输出和IC Vcc电 压的电解电容。省去电解电容可延长产品寿命并减少印刷电路板空间，同时降低材料清单成本。使用几个外部元件便可满足功率因数 (PF) 和总体谐波失真要求，同时实现 80% 以上的效率。相对于升压设计，降压拓扑结构还具有恒定输出电流（降低纹波电流）的优势，因为电感器与输出串联放置，即降压拓扑结构看起来像是 LED 负载的恒定电流源。升压拓扑结构的输出电流是不连续的，除非使用输出电容来过滤纹波电流。波形比较如图 10所示。


图9：智能非隔离式功率因数校正降压LED驱动解决方案


图10： 降压和升压拓扑比较

A19、E14/17、E26/27 球泡灯LED 驱动器设计

我们已经讨论了 MR11/16 灯 LED 驱动器设计的难题。现在，我们来看看 A19、E14/17、E26/27 球泡灯 LED 驱动器的设计。

某些灯泡类型称为“螺口灯头”和“蜡烛灯”。大多数是用 CFL 或 LED 替代的白炽灯，赢得了大多数应用需求。

A19、E14/17、E26/27 螺口灯泡结构

输入电压直接来自交流电源，插座类型为： E14/17（蜡烛型）、A19/E26/27（螺口式）（对于蜡烛型灯，额定功率为1~5W；对于白炽灯替换，额定功率为 4~17W。） 外形尺寸如图11和图12所示。


图11：蜡烛型灯示例（(L： 99 毫米，D： 26 毫米，E： 17 毫米）


图12：螺口灯泡示例（L： 105 毫米，D：55 毫米，B：26 毫米）

A19、E14/17、E26/27 螺口灯泡 LED 驱动器设计挑战

对于蜡烛型灯，该 LED 驱动器的设计挑战是小型印刷电路板空间。该印刷电路板空间小于 MR 灯空间，并工作于 AC 输入电压电源。采用 LED 驱动器设计来替换白炽灯，其印刷电路板空间比蜡烛型灯或 MR 型灯大，额定功率也较大，因此 LED 驱动器也较大。印刷电路板空间受到限制，类似于蜡烛型灯。对于螺口灯泡设计，功率因数和总体谐波失真几乎是强制性要求，还有额外的调光器操作要求。

对于具有灯座侧抛物线形状的E26/27 灯泡，印刷电路板的外形尺寸为灯座侧： 20 毫米；LED 模组侧： 35 毫米；宽度： 70 毫米（参见图 13）。


图13：E26/E27 印刷电路板外形尺寸示例

效率需大于75%。调光器的设计要求包括与各种保持电流兼容、在大范围的光振幅内呈线性方式工作、以及无闪烁。

A19、E14/17、E26/27 螺口灯泡Fairchild解决方案

在安全性方面，隔离型驱动器为首选。在该功率范围内，首选的 LED 驱动器解决方案是反激式拓扑结构。对于蜡烛型灯，功率因数和总体谐波失真虽然是低功率应用，但仍为强制性要求。很多设计人员使用单级反激式解决方案。单级 功率因数校正反激式拓扑结构减少了印刷电路板的尺寸，因为它可省去大体积输入电解电容器。使用单级初级端调节(PSR)反激式解决方案可进一步减少元件数 量。凭借其低材料清单 (BOM) 成本、隔离特性、功率因数校正及宽泛的输入电压范围，PFC PSR 反激拓扑有望成为首选的 LED 驱动器拓扑结构。

表3：Fairchild 初级端调节控制器


在 PSR 拓扑中，无需次级端反馈，因此无需光隔离器、误差放大器（如 TL431），以及补偿和偏置电阻和电容。图 14 显示简易 PSR 原理图。


图14：初级端调节器原理图

初级端调节反激式拓扑结构的优点包括：

●单级解决方案限制了元件数量并最终适合较小的设计空间。
●FL103 50kHz 的工作开关频率有助于反激式磁性变压器适合体积受限的应用。
●具有 FSEZ1317 的集成式 MOSFET 减少了元件数量，从而节省了额外的印刷电路板空间。
●初级端调节拓扑结构中元件减少有助于应对降低成本的压力。
●无需次级反馈电路，这将立即减少元件数量并提高可靠性（省去光隔离器或 TL431）。
●Fairchild 的 PSR 拓扑包括 TRUECURRENT技术，业界领先的恒流性能 < ±3 %，提供始终如一的高质量光照射。
●解决方案已采用隔离方式。
●单级反激式拓扑结构可满足

功率因数和总体谐波失真要求。

初级端调节反激式拓扑结构工作于两种模式：恒定电压 (CV) 和恒定电流 (CC)。LED 驱动器应在恒流模式下运行，以便更好地控制 LED 灯串的照明亮度输出。图 15 显示 PSR 调节反激的 I-V 特性。


图15：初级端调节反激式 LED 驱动器的 I-V 输出特性

PSR最好采用非连续导通模式 (DCM)，因为此模式支持更好的输出调节。典型的波形如 图 16所示。


图16：DCM反激式转换器的波形

当工作在恒定电压调节模式下时，在电感器电流放电时间 tDIS 期间，输出电压与二极管正向电压降之和会反射回辅助绕组端。由于二极管正向电压降随电流减少而减少，辅助绕组电压反映了二极管导通时间 tDIS结束时的输出电压。通过在二极管导通时间结束时对辅助绕组电压进行采样，可以获得输出电压信息。

当工作于恒定电流调节模式下时，使用峰值漏极电流 IPEAK和电感器电流放电时间 tDIS 以估算出输出电流，因为输出电流与在稳定状态下与二极管电流的平均值相同。采用 Fairchild 的 TRUECURRENT技术，恒流输出可得到更准确地控制。

最后我们将讨论PAR16、20、30、38灯LED驱动器设计。

PAR16、20、30、38 灯 LED 驱动器设计

这是我们LED照明趋势的最后一部分。在这一部分我们将谈谈PAR16、20、30、38 灯驱动器。这些灯型均为交流电压输入，额定功率在 4 W~20 W 之间，灯座为螺口型 E26/27 或 2 引脚型 GU10，如 图 17所示。


图17：PAR 灯尺寸示例（L： 95mm, D: 92mm, B: 26mm)

因较大的灯体积，有了更多空间来容纳 LED 驱动器解决方案。功率因数和低总体谐波失真仍为强制性要求。

PAR16、20、30、38 灯 LED 驱动器设计面临的挑战

LED 驱动器设计人员可以选择 PSR PFC 反激，即单级 PFC 反激。 然而，对于这种反激式驱动器，当这些LED 灯功率较大时可在通过 MOSFET上产生较高的 Vds,peak，因而需要 BVDss 额定值较高的 MOSFET 产品。 BVDss 额定值必须降额来适应高电压尖峰。 图18显示电压尖峰为Vds,peak = Vin+nVo+Vos之和。其中，nVo是反射的输出电压，也称为 Vro。


图18：Vds,peak 与 MOSFET 降低额定值

缓冲器用于限制 Vos 峰值电压尖峰，但会消耗能量，从而降低 LED 驱动器的效率：



PAR16、20、30、38 灯-Fairchild解决方案

以前博客中介绍的 PSR PFC 解决方案对该 LED 驱动器拓扑结构仍然是一个好的选择。 然而，在某些设计中，另一个好的解决方案是具有 CRM PFC 功能的单级反激式控制 PWM IC。 其优点是设计复杂性低、效率良好。 与复杂的两级方法解决方案相比，单级功率因数校正方案提供了高功率因数和低总谐波失真，且不需要输入大容量电解电容。 图 19 为单级功率因数校正的基本线路图。


图19：典型单级功率因数校正反激式解决方案原理图

Fairchild 的解决方案如表4所示，单级反激式解决方案与两级方法解决方案的比较如表5所示。

表4： Fairchild 的单级功率因数校正反激式解决方案


表5：单级与两级 LED 驱动器之比较


结论

本文回顾了低功率LED驱动器应用的发展趋势和挑战。虽然不同类型的LED灯存在差异，但不同类型灯使用的 LED 驱动器仅有少许不同的要求。 在一般情况下，基本要求相似： 低材料清单数量和成本、小尺寸印刷电路板、高效率、高功率因数、低总谐波失真。 Fairchild的解决方案包括 AC-DC 非隔离功率因数校正降压拓扑结构或单级功率因数校正初级端调节离线拓扑结构，减少了对多个供应商和技术投入的需要。