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反激结构可提供极其均衡的LED驱动器

Peter B Green?? 国际整流器公司?? 2012年03月05日 ?? 收藏0
LED灯具和灯泡现在正在很多通用照明应用中快速取代白炽灯、卤素灯和CFL(微型荧光灯)光源。反激式DC/DC转换器是大部分LED驱动选择的电源结构,因为这些器件能够实现LED与交流线之间的隔离,这是多数LED灯的安全需求。

几乎所有直换式LED灯泡都有一个大的铝散热片,形状要与设计相符,有很多鳍片扩展表面积。高亮度LED发热高,必须将其散到周围空气中,以防过热并延长使用寿命。

尽管LED本身是接触不到的,但它们通常会与散热片保持电气连接,因为两者之间的任何隔离物都相当于一个热屏障。采用隔离器的设计需要减薄散热片,以减少这种屏障,但却不能提供可靠的电气隔离。因此,工程师们通常喜欢采用隔离的反激式驱动电路,而不是较为简单但非隔离的降压结构。反激式LED驱动器还具有简单、低成本、实现高的功率因数的能力;并且增加一些电路就能兼容于常用的TRIAC(三端交流电)调光器。

图1,反激LED驱动电路的核心元件是一个耦合电感
图1,反激LED驱动电路的核心元件是一个耦合电感

反激式LED驱动电路的核心元件是一个耦合电感(图1)。大电压MOSFET用于切换在DC总线上的电感初级。当开关接通时,电感中的电流上升,能量以磁场形式存储起来。为此,电感磁芯需要一个空气间隙。MOSFT的切换会中断初级电流;因此,电流必须流入次级绕组,而不是通过二极管并进入输出电容和负载。在此期间,电感中的能量传送给输出端。由于MOSFET导通时电流不流到输出端,因此输出端需要一只存储电容,为LED提供连续的电流。

电感的匝数比使得变压器既不是降压也不是升压;而是必须考虑当MOSFET关断时,在初级绕组上出现的反射电压。MOSFET漏极上的电压不得超过其在峰值线路电压条件下的最大额定漏源电压,以及最大LED输出电压。这个电压等于DC总线电压加上LED输出电压,再乘以匝数比,这就是反射电压。对于一个120V的交流电路,MOSFET应有400V电压;对277V的交流或宽输入范围的电路,MOSFET应有650V电压。在这些电压下可以做出需要次级匝数较少的实用电感设计。

反激转换器不断地通过电感存储和输送能量。因此,电感在磁通密度与磁场强度曲线上只工作一个象限。于是,磁芯必须较大,才能传送其它更复杂电源结构所提供的功率,后者对磁芯的利用更高效。反激方案更适用于小于50W的功率水平,这覆盖了所有螺口直换的LED灯泡产品,以及很多射灯和泛光灯(图2)。反激设计也可以工作在较高功率水平;不过,这些设计更复杂,通常要使用多个电感,以及MOSFET交错电路。

图2,反激方案最适用于功耗低于50W的应用,覆盖了所有螺口直换型LED灯泡产品,以及很多射灯和泛光灯
图2,反激方案最适用于功耗低于50W的应用,覆盖了所有螺口直换型LED灯泡产品,以及很多射灯和泛光灯

随着性能标准逐步覆盖LED照明产品,对环境问题的考虑也成为了要求,如高功率因数。反激LED驱动器可以提供约0.9的功率因数,它采用无源电路技术,无需任何会明显增加成本和体积的预调节级。

为了提供高功率因数,可以从一个全波整流的DC总线运行反激电路,只使用少量电容做高频耦合,或者可以增加一个由两只电容和三只二极管组成的简单无源填谷电路(图3)。第一种方法比较廉价,但输出端需要一个较大的保持电容,防止LED电流跌至接近AC线路的零交越处。因此,这种方法只有在LED为350mA或更小时才可行。第二种方法是较常用的方法,它增加了一些成本,但克服了第一种方法的局限性。

图3,为提供高的功率因数,可以只用一只小电容做高频耦合,从一个全波整流的DC总线运行反激电路,或者可以增加一个由两只电容和三只二极管组成的简单的无源填谷电路
图3,为提供高的功率因数,可以只用一只小电容做高频耦合,从一个全波整流的DC总线运行反激电路,或者可以增加一个由两只电容和三只二极管组成的简单的无源填谷电路

接下来一个要考虑的问题是如何调节LED电流。使用一个次级的电压与电流检测电路,用一个光耦将反馈信号传回初级端的控制IC,就可以实现这个调节。还有一种方法是,可以仅在MOSFET中调节初级端的峰值电流,而不直接检测LED的电压或电流。另一种选项是使用一种初级检测方法,它提供了一些电流调节和过压保护,但无需光耦。

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