高压、高亮度LED驱动设计

　　由于现在各国都在不断减少白炽灯泡的使用而且各大公司也都意识到转向使用一些替代照明方法可以实现节能，而这其中发光二极管 （LED） 和紧凑型荧光灯 （CFL） 便是主要的选择，因此对于低成本、低环境影响照明解决方案的需求比以往任何时候都要强烈。虽然差异明显，但上述两种替代照明方法都较为可行。CFL 照明的主要缺点是较长的启动时间和较低的亮度调节性能，但相比 LED 解决方案其成本极低。另一方面，LED 具有“快速开启”特性且亮度调节性能较好，但因成本问题普及较慢。半导体厂商们不断制造新的 LED 驱动器组件，旨在降低系统复杂度和成本。同时，LED 厂商不断提升高亮度 LED 的功效（发光效率），目的是减少要求 LED 数目，以及降低调节它们所需的功耗。

　　这种创新之一是使用高压、高亮度 （HVHB） LED。这些 LED 要求更高的电压来启动电流，从而开始发光。这些新型 LED 面临着许多新的挑战，同时也带来了许多新的机遇。尽管一开始只是为直接通过 AC 线自驱动而设计，但诸如低效率、低功率因数和不可调节等因素限制了它们的应用数量。

　　从图1，我们可以看到直接通过 AC 线驱动这些 LED 存在许多问题。为了满足整个电压范围要求（90-135 Vac 或者 207-253 Vac），正向压降 （Vf） 必须为最低 AC 电压或者更低。这就意味着电压位于量程上限时，限流电阻器电压下降。这样便产生损耗，极大地降低了效率。它还会产生热，从而限制 LED 的使用寿命。

　　现在，让我们来看图1 所示开启时间。由于 LED 仅在达到或者超出 Vf 时导通，因此仅有峰值电压用于发光。如此小的总 AC 时间百分比时，功率因数会非常的低（远低于美国、欧洲和印度要求的额定值，让它们无法用于这些国家的住宅和商业照明应用）。这就是说，如果要满足这些 LED 的峰值功率需求的话，电力公司需要提供超出正常工作所要求的电量。最后，由于大多数调光器（TRIAC 或电子类产品）都是通过对提供给灯的 AC 波形进行限幅处理来工作的，因此仅在灯导通的短暂时间内进行亮度调节。这就意味着，亮度调节范围的 90% 以上时，灯可以为全部开启，也可以为全部关闭。

　　图1无驱动器的HVHB LED 特性

　　综上所述，相比其低压版本，HVHB LED 拥有许多优点。从驱动器的角度来说，通过一个升压功率因数校正 （PFC） 电源就可以将它们较好地直接驱动（请参见图 2）。这种拓扑结构通过将电流消耗与 AC 电压波形匹配来控制提供给负载的电量，从而确保了较好的功率因数（一般为 .97 或者更好）。使用这种 PFC，其很容易便超出了 .7 或 .9 的管理机构规定，而在美国、欧洲和印度销售商业和住宅照明灯具时必须要遵守这一规定。提高输入电压的另一个好处是能够获得足够高的电压，以便可以使用某种电源设计（无论输入电压大小）。所以，可以实现一种通用输入 LED 灯 （90-253 Vac）。过去，通用输入也存在一些折中和妥协。同时满足 120 Vac 和 220 Vac 应用要求的设计具有一种产品设计、一次制造和一种采购项目的好处。但是，要实现这些，您必须让设计能够处理高于 110 Vac 运行需要的电压，以及高于高压应用需要的更大电流。相比针对每个电压范围的优化解决方案，这就相当于更高的材料清单 （BOM） 成本和更大的组件。

　　高压还意味着给定输出功率的低电流。例如，要构建一个 380 Vdc 总 Vf 的 16W LED 光源（使用 4 个串联/并联 4W LED），要求电流仅为 42 mA。这种低电流意味着更小的存储电容，从而允许使用长寿命低成本的陶瓷电容器。使用这种电容器可以增加整体光源的寿命，因为它不需要电解质电容器。典型的“长寿命”电解质电容标称使用寿命为 20000 小时，但在过热情况下会急剧缩短，而 LED 拥有长达 50000 小时的寿命。在诸如路灯、顶棚照明以及其他高环境温度照明应用中，这是一个巨大的进步。

　　从效率方面来看，开关模式 LED 驱动器的主要损耗组件是 LED 本身：开关电源（IC）、驱动 FET 和整流器。让开关频率维持在一个合理的频率（例如：150 KHz）可以最小化 FET 的开关损耗，同时整流器中低电流就意味着低功耗。90% 以上的效率是可以达到的，其在整个 VIN 范围仅稍有不同。

　　通过下列几种方法可以达到功率因数校正：

　　1）有源法：利用一个具有内置算法的 IC，让电流消耗与输入电压匹配；

　　2）填谷法：要求路由二极管和存储电容在 AC 输入处在过渡阶段时提供电流；

　　3）自然法：一般为间断运行反向结构的一个开关式电源即 SMPS。