藉由初級側調節提高照明效率　低成本HB LED方案有譜

實現低功耗和高效率技術備受全球關注，由於照明應用占了全球近20%的耗電量，所以照明技術的進步，也會對能源狀況產生巨大的影響。發光二極體(LED)固態照明(SSL)是一種環保技術，具有出色的外形尺寸、使用壽命長、轉換效率高，且功耗比傳統的白熾燈低80%或90%。
 

在LED SSL中，LED驅動器扮演著重要的角色，因為要靠它來提供保持穩定亮度所需的精確電流。不過，傳統的LED驅動器方案採用次級回饋電路來驅動LED的電壓和電流，但次級回饋電路卻會導致成本和尺寸的增加。本文將介紹一種初級側調節(PSR)專利技術，PSR控制器無需次級端回饋電路，即能夠精確調節變壓器初級側中LED驅動器的電壓和電流。它同時包含頻率抖動功能來降低電磁干擾(EMI)，以及輕載待機模式來減小待機損耗。利用該方案，PSR充電器可以實現比振鈴扼流圈轉換器(RCC)和傳統脈衝寬度調變(PWM)等傳統設計更小的外形尺寸、更低的待機功耗和更高的效率。
 

LED照明兼具發光效率/調光/設計彈性優勢
 

由於能源需求失衡、能源成本增加，加上全球對環境問題的重視，節能綠色技術變得日趨重要。照明應用的能量損耗可高達20%，因此利用創新性技術來降低能源浪費，對節能具有重大的影響。能效規範在全球各地區日益普及，例如美國有能源之星(Energy Star)，而且澳大利亞、歐盟和美國加州也都宣布將逐步淘汰傳統照明解決方案。
 

LED實際上與整流二極體一樣，都具有單向導電性。不同於傳統照明技術，LED SSL利用半導體將電能轉換為光能。LED照明相對傳統技術的優勢：其一為LED由直流(DC)電壓驅動，即使在低電壓低電流條件下也能保持高亮度。在相同的照明應用中，相較其他照明方案，LED可節能達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的反應速度很快(1～100奈秒)。
 

其二為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，而且不同於傳統冷陰極螢光燈管(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，有利於環保。
 

其三是LED尺寸小、抗振動、衝擊阻力大，另外還可以在燈泡中製備成各種形狀。與LED、螺旋節能燈泡和T5螢光燈相比，白熾燈的照明效率只有每瓦12流明，壽命少於2,000小時；螺旋節能燈泡的照明效率為每瓦60流明，壽命約8,000小時；而T5燈泡的的照明效率則為每瓦96流明，壽命約10,000個小時。

5毫米白色LED的照明效率為每瓦20～28流明，壽命約100,000小時。顯然，較之傳統照明應用產品，LED的使用壽命更長，且特性也更具吸引力。高亮度發光二極體(HB LED)是一種大功率高亮度的LED，其壽命更長、尺寸更小，而且設計靈活，已成為傳統白熾燈和鹵素燈的替代產品。HB LED一般用於以下應用：

HB LED驅動器搭配PSR控制器　有助於延長系統使用壽命

如上所述，LED照明擁有諸多優勢，但若沒有適當的電壓和精確的電流，這些元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。考慮到LED與普通二極體在物理特性方面同樣擁有斜率很大的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，帶有出色恆流技術的PSR就顯得既重要又有益。LED驅動器一般採用非隔離降壓轉換器或隔離反激式(Flyback)轉換器。
 

在傳統的LED控制電路中，離線恆定輸出電流LED驅動器可使用隔離反激式轉換器配合次級側電路調節輸出電流來實現(圖1)。在此，LED電流通過次級側的一個感應(Sense)電阻Ro來測量，並借助光耦合器提供必須的回饋資訊。光耦合器在初級側和次級側之間形成隔離，並把反饋訊號耦合到初級側的PWM控制器，為了達到更好的輸出調節，PWM控制器利用光耦合器接收次級側的反饋訊號，以決定金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的工作週期。此方案可提供精確的電流控制，但缺點是元件數目較多，意味著需要更大的電路板空間、更高的成本，且可靠性也較低。同時，感應電阻Ro還會增加功耗和降低恆流調節電源效率。近來，LED驅動器的效率和節能要求變得愈益重要，同時LED應用也需要更小的尺寸，因此傳統電路不再滿足相關要求。本文將介紹一種能夠減少元件數目並提高效率的初級側控制方法。

圖1　採用傳統次級端調節反激式轉換器的 LED 驅動器

PSR技術是把離線LED驅動器的成本降至最低的最佳解決方案，它毋須在次級側使用光耦合器，就能夠提供精確的電流控制。PSR的基本原理是採用一種創新性方法，利用輔助線圈取代次級側的光耦合器來檢測輸出資訊。圖2所示為一個採用初級側控制器的反激式轉換器的基本電路示意圖及其主要工作波形。

圖2　採用初級側控制器的反激式轉換器之基本電路示意圖及波形

當PSR控制器導通MOSFET時，變壓器電流i_P將線性地從零增加到i_pk，如算式(1)。在導通期間，能量儲存至變壓器中。當MOSFET關斷時(t_off)，儲存在變壓器中的能量會藉由輸出整流器傳送到功率轉換器的輸出端，在此期間，輸出電壓V_O和二極體的正向電壓VF被反射到輔助線圈N_AUX，輔助線圈N_AUX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來對反射電壓進行取樣，由於輸出整流器的正向電壓變得恆定，故可獲得相關輸出電壓資訊，然後，取樣得到的電壓與精確的參考電壓進行比較，形成一個電壓迴路，從而確定MOSFET的導通時間，並精確調節恆定輸出電壓。

上述算式中，L_P為變壓器初級線圈的電感；V_IN為變壓器的輸入電壓；t_on是MOSFET的導通時間；N_AUX/N_S為輔助線圈與次級輸出線圈的匝數比；V_O是輸出電壓；V_F是輸出整流器的正向電壓。
 

這種採樣方案也使得變壓器的放電時間(t_dis)加倍，如圖2所示，輸出電流I_O與變壓器的次級側電流有關。I_O還可利用i_pk、t_dis求得，如算式(3)所示。PSR控制器利用這個結果來確定MOSFET的導通時間，並調節恆定輸出電流。感應電阻RSENSE用來調節輸出電流的數值。

在此，t_S是PSR控制器的開關週期；N_P/N_S是初級線圈和次級輸出線圈的匝數比；R_SENSE為感測電阻，把變壓器的開關電流轉換為電壓V_CS。
 

高整合PSR控制器方案實現小體積/低成本HB LED系統設計
 

這裡使用一個HB LED驅動器來驅動三個串聯HB LED，輸出規格為12伏特/0.35安培。若採用整合一個PSR控制器和一個600伏特/1安培MOSFET的PSR控制器FSEZ1016A，將有助於減少外部元件數目、縮小印刷電路板(PCB)MOSFET驅動器電路的訊號雜訊，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，提供非導通時間調製，以線性降低PWM頻率，使待機功耗最小化，從而輕鬆滿足大多數綠色規範的要求。此外，其內置抖頻功能也進一步提高EMI性能。
 

實驗顯示採用此方法，恆流(CC)調節精度可達1.8%，折回(Fold-back)電壓為4伏特(圖3)，適用很大的正電壓(V_DD)範圍，且CC能力與輸出電壓有關。115Vac輸入時效率為77.66%、230Vac輸入時效率為77.40%及空載時最大功率為0.115瓦。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

隨著產業界對高能效電子產品開發投入更多，照明應用需要創新性技術來取代傳統白熾燈和鹵素燈。HB LED的優勢在於尺寸小、亮度高、壽命長，而且環保。

這些優勢都是推動該產品逐漸取代傳統照明產品的有利因素。為了提高HB LED的能力，控制電路必須利用恆流來實現LED驅動。本文介紹的PSR專利技術，只須利用PSR控制器，就能夠精確調節變壓器初級側中LED驅動器的電壓和電流，無需次級側反饋電路，從而實現尺寸更小、壽命更長和更環保的產品。實驗顯示PSR能夠提供1.8%的恆流調節精度。這種PSR技術是降低離線LED驅動器成本的最佳解決方案。
 

(本文作者任職於快捷半導體)