LED灯具设计的数字电源的优势及解决方案

    对用户而言，高效率的驱动方案可以降低驱动电路的散热成本，减轻LED灯的重量。降低电路温升还有利于提高LED灯的使用寿命。传统的隔离驱动方案利用光耦传递二次侧的电流信号给一次侧控制器来维持稳定的输出电流。二次侧检测电路增加了驱动电路的复杂性、成本和损耗。光耦的使用还降低了可靠性。因此，主流的LED灯生产厂家都开始采用无光耦的原边反馈技术。当前，数字原边反馈技术已经成熟并且得到了广泛应用。数字控制可以实现无光耦反馈的输出电流的精确控制。利用变压器反馈波形，数字技术还可以实现波谷开通来提高转换效率。

    1.1  无光耦精确电流控制

    图1  边缘反馈电流控制原理（点击放大）

    图1（a）显示一个原边反馈的反激变换器。一次侧和二次侧的电流波形显示在图1（b）中。平均输出电流Iout=1/2XXXX,这里Isp是变压器副边绕组的峰值输出电流；Trst是变压器磁恢复时间；Tprd是开关周期。在理想情况下，原边峰值电流Ipp=XXXX,其中Np和Ns是原边和副边绕组匝数。因此，输出电流Iout=XXXXXX.现在假定Iset是设计输出电流，数字控制器可以通过控制原边峰值电流Ipp=XXXXX来获得所需的输出电流。

    LED照明以其发光效率高，使用寿命长，亮度控制简单和环保的优势，迅速受到广大用户的欢迎。作为新型的节能光源，LED灯具会逐步地取代传统的白炽灯泡。LED照明的不断普及对调光和控制技术提出了越来越高的要求。当前用户主要关心的是，LED灯具必须要使用安全、重量轻、寿命长、不影响用户健康，并可适用于现有的调光设备以及可以承受的价格。

    要满足用户的愿望，就要求驱动电源转换效率高、输出电流纹波低、pcb抄板无光耦设计，并且在接入任何调光器，无论是支持或者不支持的型号，都要保证灯具的安全性能。这对LED驱动电源提出了极大的挑战。越来越多的LED灯具厂商意识到，传统的驱动方式很难同时兼顾到所有的要求，无法大量推广LED灯。数字电源技术突破了传统方案的局限性，可以对用户的要求进行整合和优化，为LED 驱动和调光控制提供一个完整的解决方案。本文针对LED灯的具体设计问题来讨论数字技术的优势和解决问题的方法。

    1.2   波谷开通控制

    波谷开通的主要目的是获得高效率。图2是MOSFET 关断以后耦合到变压器辅助绕组上的电压波形。如图2 所示，变压器在T1 时间点完成磁恢复。然后磁化电感和MOSFET漏级杂散电容开始谐振。如果MOSFET 的开通正好处在漏源电压谐振的谷底T3,就可以达到最低开关损耗。同时电磁干扰的减小有利于提高输入滤波器的效率。利用数字技术对辅助绕组上的电压波形作分析，可以非常简单的实现波谷开通的功能。

    图2  波谷开通控制示意图

    1.2.1  低电流纹波设计

    LED照明不仅需要精确和稳定的电流，还要求电流的纹波非常低。科学家研究表明，低于165Hz的闪烁，不管来自可见光还是不可见光，都有可能引起偏头痛或者视觉不适。低于70Hz 的闪烁甚至会对少部分人引发癫痫。因此， 美国电气和电子工程师协会（IEEE）正在制定相关标准来引导对人体健康无危害的LED 照明驱动的设计。

    图3  二次转换系统结构

    一个输入呈阻性的电源系统内部一定要存在储能元件，当输入电压低的时候可以提供能量给负载。如果能量进行单次转换又要求输入呈阻性，其需要非常大的输出电容来降低负载的电流纹波。如果能量进行二次转换可以解决这个问题。通常的二次转换形式是结合Boost 输入级和反激式输出级。输入级主要控制驱动电源的输入阻抗。反激式电源提供低纹波输出电流。二次转换控制的复杂性很高。特别是当接入调关器的时候还需要协调输入级和输出级的能量平衡。图3是常用的二次转换系统结构。传统的二次转换控制方案需要同时得到输入电压Vin、Boost 电流IL、中间电容上的电压Vbulk、反激式原边电流Ip以及电压的反馈Vout，控制成本很高，因此很难得到广泛应用。数字控制技术提供了简单的一次侧反馈方法，还可以预测中间电容电压，因此只需要检测输入电压Vin 并解析变压器反馈信号就能实现完整的二次转换控制。大大简化了系统的控制成本。

    1.2.2  全面的驱动保护

    LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。

    1.高可靠性 特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大。

    2.高效率 LED是节能产品，驱动电源的效率要高。

    3.高功率因素 功率因素是电网对负载的要求。

    4.驱动方式 现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。