为白光LED驱动电路选择拓扑结构(图)
摘要： 白炽灯灯泡发展至今已接近极限，其95%的热损耗使很多用户大伤脑筋。相比之下，荧光灯的表现虽然稍微好点，但功耗浪费仍高达80%。
白炽灯灯泡发展至今已接近极限，其95%的热损耗使很多用户大伤脑筋。相比之下，荧光灯的表现虽然稍微好点，但功耗浪费仍高达80%。这两种技术均无法与白光LED同日而语，其在理论上已具备80%以上的能效水平。不仅如此，LED的使用寿命也要比传统的光源长得多。因此，随着一般照明应用逐渐转入LED技术，能耗将会得以极大地降低。据美国能源部最近的研究预测，白光LED将在2025年得到广泛采用，全球的电力消耗将会降低10%，可节省高达100亿美元的电费。
尽管白光LED优点很多，但LED驱动电路的设计却面临着重大挑战。空间限制的要求和散热的要求都对设计有所限制。最后，设计师们还必须认真考虑EMI要求对其设计的影响。
在低功率(≤3W)照明应用中，设计师都使用了现成的非隔离式、基于电感的降压式和升降式开关模式电源。本文将对这两种拓扑结构进行比较，论述各自的优缺点。
两种拓扑结构
图1所示为配置为基本降压式转换器(图1a)和基本升降压式转换器(图1b)的LinkSwitch-TN器件。通过在单片IC上集成一个功率MOSFET、振荡器、简单的开/关控制、一个高压开关电流源、频率抖动、逐周期电流限流及热关断电路，可以简化转换器阶段的设计复杂度并减少元件数。LinkSwitch-TN器件可通过漏极引脚实现自供电，无需使用偏置电源及相关电路。它极具成本效益，可用来替代输出电流小于或等于360mA的线性和电容降压式非隔离电源，因此能够提供出色的输入电压调整率和负载调整率。与无源元件电源方案相比，它的效率更高，而功率因子则比电容降压式方案高。
图1 基本的LinkSwitch-TN结构
图1中所示的降压式转换器具有诸多优点。首先，它可以最大化所选LinkSwitch-TN器件的可用输出功率以及电感值。同时还可以降低电源开关和续流二极管的电压应力。此外，流经输出电感的平均电流要略低于同类升降压式转换器中的平均电流。
升降压式转换器与降压式转换器相比，其配置具有一大优点，即输出二极管与负载串联。在降压式转换器中，如果MOSFET发生短路故障，输入将直接与输出相连。而在升降压式转换器中发生此类情况时，反向偏压输出二极管则会阻断输入和输出之间的通路。
在这两种转换器中，AC输入经D1、D2、C1、C2、RF1和RF2整流滤波。两个二极管可以增强输入电涌承受能力和传导EMI性能。设计师应该使用可熔阻燃电阻作为RF1，但可以使用只具阻燃功能的电阻作为RF2。Linkswitch-TN器件中的开/关控制用于调节输出电流。一旦进入反馈(FB)引脚的电流超过49μA，MOSFET开关将被禁用，以便进入下一开关周期。
降低热量
设计LED驱动电路所面临的主要挑战是散热问题。即使采用比白炽灯技术效率更高的技术，3W的电路也将会达到可危及器件完整性的温度级别。而且，将驱动电子器件集成到具有严格限制的标准GU10灯座中时也会遇到严峻的散热挑战。设计者解决该问题的唯一途径便是将热量传导至灯泡的旋入式灯座上。在上述的拓扑图中，LinkSwitch-TN器件中添加有一热关断电路，在结温度超过142℃时可禁用功率MOSFET，从而防止LED遭受潜在的损坏。一旦结温度下降75℃，MOSFET将自动重新开启。
与降压拓扑结构相比，升降压拓扑结构的效率要略低一些，这是因为功率不会在MOSFET开关每次打开时都传输到输出端。因此，它产生的热量比降压拓扑结构多。不过差别不太明显。
为确保电路拓扑结构符合热调节要求，设计师将电源组件安装到灯座中，然后测量LNK306DN源极引脚的温度。在理想情况下，源极引脚的温度不应超出100℃。在25℃的室内环境温度下测量的结果表明，Vin值上升到265VAC时，源极引脚温度将超过100℃。鉴于这些结果，设计师断定可能对某些额外的散热器有热限制方面的要求，比如将LED散热片放于U1 SO-8C封装顶端。
控制EMI
LED驱动电子器件电路必须符合严格的EN55022B/CISPR22B传导EMI要求。鉴于开关IC的高开关频率和GU10灯座有限的尺寸大小，这些要求给灯泡设计师又带来了重大挑战。在升降压电路拓扑结构中，EMI噪声电流环路从MOSFET流向输出二极管、输出电容，然后返回输入电容；而在降压电路配置中，该电流环路从MOSFET流向续流二极管，然后返回输入电容，因此较前者中的环路短。因此，上述情况导致在升降压设计中略微降低噪声要更困难。
为了符合行业EMI规范，工程师决定将驱动电子器件分成两个电路板：位于顶部的转换器电路板与位于底部的输入整流/EMI滤波器电路板（见图2）。然后他们在两个电路板之间放置法拉第屏蔽。电气连接到转换器电路板的屏蔽含有一个单面铜铂区域PCB，后者的构造尺寸与底部输入整流/EMI滤波器电路板相同。使用本设计驱动3个LED，其测试结果显示，传导EMI在输入电压为230VAC的最差情况下约为7dBμV，低于行业EMI要求。
（a）
（b）
图2 （a）滤波器的电路结构 （b） 转换器的电路结构
图3 同类产品在115VAC下的导通EMI
从成本的角度来看，这两种电路拓扑结构具有类似的优点。重要的是，典型的设计要求使用约25个器件，并且允许使用现成的低成本电感，而不是使用自定义变压器。
在设计电流检测反馈环路中存在着一个重要区别。电流反馈在正常工作期间会限制LED电流。设计师可以通过使用FB引脚直接检测感应电阻间的压降来满足电流检测要求。但由于FB引脚的电压为1.65V，而会导致GU10壳体内产生不可接受的耗散。因此，设计师如果采用降压电路拓扑结构，则必须购买一些额外的低功率信号器件用于反馈环路。这笔额外的投资通常包括两个陶瓷电容、两个NPN表面贴装三极管，以及四个高精度厚膜电阻。但必须注意的是，所有这些器件只是极小的增支成本。
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