35W 以下 LED 应用的功率调节:最好的方法是什么?

日期:2014-04-13
 
作者:Alexander Craig ,飞兆半导体公司
涉及功率因数校正 (PFC) 的功率调节、最小化总体谐波失真 (THD) 和电磁干扰 (EMI) 是每个 LED 电源的重要部分。功率低于 35W LED 应用存在特殊因素,本文即着眼于这些因素的权衡。
 
总的来说,一个 LED 灯的电源必须执行三项功能: 功率调节、功率转换和负载控制。为了减少低功率应用中的成本,尤其功率低于 35W 的那些应用,目标是将所有三项电源功能整合到单级中。在各种可用的拓扑中,目标通常缩小为两个 - 单级反激式 PFC 拓扑或单级降压-升压 PFC 拓扑。尽管如此,在决定采用两种拓扑之一后,仍然需要做出许多决策。
具体而言,管理功率调节的方法有多种。根据实现的方法,功率因数校正 (PFC) 和总体谐波失真 (THD) 可以关闭,而选择错误的方法会影响到成本和可靠性。本文介绍在评估一个拓扑执行功率调节的能力时需要考虑的部分因素。
 
为什么 PFC 很重要
虽然 PFC 电路没有实际提高 LED 驱动器功率转换级的效率,但是通常法规要求它们计算使用费。几种规则,包括加州能源委员会制定的法规和欧盟委员会能源相关产品指令,对于功率因数都有具体的处理标准。功率因数 (pF) 定义为实际功率和视在功率的比值。电力公司的收费基于实际使用的瓦特数除以 pF。
工作原理如下:  要输出 800 流明,一个白炽灯泡使用 60W 功率和 1.0 的 pF。消费者将花钱购买 60W 的功率 (60W/1) 来运行白炽灯。然而,一个等效的 CFL 灯输出相同的 800 流明仅使用 13 W,PF 为 0.5。消费者运行 CFL 只需支出 26W (13W/0.5) 的费用。对于 LED 灯,产生 800 流明只需 9.5W,PF 为 0.98。消费者运行 LED 只需支出 9.7W (9.5W/9.8) 的费用。
由于 PFC 在许多地方是强制要求,使用支持它的电源很重要。一些拓扑将 PFC 作为内置功能提供,其他拓扑则需要设计师单独添加。
 
寻找正确的拓扑
如果设计要求隔离电源,那么反激式拓扑是最佳选择。如果不要求隔离电源,那么降压-升压拓扑的效率更高。反激式配置有更多选项,让我们先看看这些选项。
一个隔离反激式电路的常见选择是使用次级端调节 (SSR),这意味着它具有一个光耦合器,一个基准电压源和一个 1kHz 的快速环路带宽,从而对负载电荷作出反应。这种电源在桥式整流器之后通常还具有一个高电压电解电容,且无内置 PFC 电路。为什么这种电路对于低功率 LED 是一个糟糕的选择,原因有多个。首先,SSR 格式通常以恒电压电源进行设置,但是恒电流电源能够更好地驱动 LED。因此,最好使用初级端调节 (PSR) 电源。第二,高电压电解电容可缩短电源寿命;第三,通过使用填谷式电路或无源 PFC 电路将 PFC 添加在设计中会提高成本,降低效率。
另一个选项是将 PSR 脉宽调制 (PWM) 控制器和 PFC 填谷式电路结合在一起,但通常此电路的 THD 对于在 LED 灯中使用太高。而且它使用高电压电解电容,可能影响可靠性。
另一个方法可以提供很好的 PFC 和低 THD,它使用一个拥有一个升压 PFC 电路和后跟二级 DC/DC 转换器的双级架构。但是双级不是理想选择,因为它会增大尺寸,提高设计成本,并且本方法未能解决使用高电压电解电容的问题。
另一个方法是使用边界导通模式 (BCM) 或临界导通模式 (CCM) PFC 控制 IC,采用固定导通时间的变频开关模式。虽然 PFC 很好,但是设计对于变压器线匝比有限制。这些限制会迫使我们使用较高电压的 MOSFET(800V 至 900V),并且由于 MOSFET 和缓冲器电路存在较高损耗,效率会受影响。
工作在固定导通时间和固定开关频率的非连续导通模式 (DCM),对于任意给定输入或负载条件,有可能获得没有线匝比限制的高 PFC。准谐振 (QR) 反激式控制 IC 也是一种选择,它包括高电压引脚、软启动和其他功能。
飞兆已经开发两种控制器 FL7732 和 FL7730,它们使用单级 DCM 拓扑和 PSR。不需要高电压输入电容或 SSR 反馈电路。这两款控制器使用飞兆 TRUCURRENT® 控制技术构建,在充电器应用中已经获得成功。在 TRUECURRENT 计算基础上,它们为 LED 控制添加两项功能: 线路补偿,以及 FL7730 中的调光控制。图 1 显示 FL7732 配置为 LED 驱动器。
 


1FL7732 LED 驱动器
 
线路补偿
在 FL7730 和 FL7732 中,线路补偿器从 Vs 引脚接受线路电压信息并且用于修正峰值电流电路。它可在较宽输入电压范围内实现极其紧密的容差和恒流调节。表 1 提供来自评估板的测量结果。在输入电压范围 11V 至 28V 中,恒流的偏差少于 2.1%。
 
1:恒流调节和线路补偿 (FL773x)
输入电压 最小电流 最大电流 容差
90VAC /60Hz 347mA 357mA ±1.5%
110VAC /60Hz 345mA 360mA ±2.1%
140VAC /60Hz 342mA 352mA ±1.5%
180VAC /50Hz 342mA 356mA ±2.0%
220VAC /50Hz 340mA 351mA ±1.7%
265VAC /50Hz 336mA 347mA ±1.7%
 
调光
图 2 中显示的 FL7730 调光控制功能是一个简单的电阻分压器网络,使用 RC 滤波器将 AC 线路电压的占空比转换为 DC 电压。DC 电压置于专用的 DIM 引脚上。
 

 
2FL7730 的调光控制
 
一个双角度控制模块用于补偿电流感测测量值,并作为 TRUECURRENT 计算模块的输入。这种控制 LED 强度的方法简单而有效,它可以和几乎所有形式的调光控制共同使用,从简单的 DC 和 PWM 输入方法到更复杂的基于 TRIAC 的控制。
 
反激式或降压-升压
从初级侧控制角度来看,非隔离 DCM 降压-升压拓扑基本上和隔离反激式拓扑相同。为此,FL7732 和它的集成式 mosfet 版本 FLS3217 和 FLS3247 以及可调光版本 FL7730 能够用在反激式或降压-升压架构中。只需使匝比等同于绕组和原级电感器之间的比率即可。
如果 LED 配置采用非隔离状态并且以高电压、低电流串进行设置,这便是一个非常有效的方法。它可以在磁体中产生较低的铜 (I2R) 损耗,且没有缓冲器损耗。该拓扑还可实现非常高的 pF 和非常低的 THD。
 
结论
虽然有多种方法在低功率 LED 设计中实现功率调节,但是带 PFC 的单级反激式和降压-升压拓扑通常是最好的选择。基于公认的 TRUECURRENT 技术,飞兆已经开发了两种控制器,对两种拓扑均适用。FL773x 控制器提供线路补偿和可选择的调光,可实现高效率 LED 电源,同时所需组件较少,成本最小。
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