原创当今低功率LED照明趋势的解决方案—第三部分

 2015-4-13 15:52  832 10 10 分类: 消费电子

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1所示。

Fig. 1. Existed Conventional Halogen Infra structure

图 1. 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. 2的灯具内。

Fig. 2. MR Lamp Dimensions

图 2. MR 灯的尺寸

有两种印刷电路板外观形状。图. 3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. 4所示产品是垂直的；必须小于30 x 20 mm。

Fig. 3. MR Lamp Round Type PCB Design

图 3. MR 灯圆形印刷电路板设计

Fig. 4. MR Lamp Vertical Type PCB Deign

图 4. MR 灯立式印刷电路板设计

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 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. 5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 6 所示。

Fig. 6 Buck versus Boost Topology Comparison