LED照明驱动电源电路设计技术应用的能效问题

    驱动LED 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED 正向电压也会有差异；另外，LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。

    另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED 的排列方式问题。各种排列方式中， 首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压（Vout）如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。

    功率因数校正

    美国能源部（DOE）“能源之星”（ENERGYSTAR）固态照明（SSL）规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正（PFC）。PFC的英文全称为“Power Factor CorrectiON”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。

    虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数（通常>0.95+）。

    图1：有源PFC的应用电路示意图

    PFC 技术包括无源 PFC 及有源PFC 两种。无源PFC 方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8 或更高的功率因数。其中，在小于5 W 至40 W 的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7 的功率因数。

    根据输入电流控制原理的不同，PFC可以分为不同的类型，如临界导电模式（CrM）、不连续导电模式（DCM）、连续导电模式（CCM）和频率钳位临界导电模式（FCCrM）等。CrM的的主要特征是电流有效值（RMS）大，开关频率不固定，常用于需要简单控制方案的照明和交流适配器等低功率应用，典型解决方案如安森美半导体NCP1606；DCM的主要特征是电流有效值最高，线圈电感较低及稳定性最佳，常见于中低功率应用；CCM的主要特征是总是硬开关，电感值最大，电流有效值最小，在较高功率（>300 W）应用中特别受到青睐，典型解决方案如安森美半导体NCP1654；FCCrM的主要特征是电流有效值大，频率被限制，线圈电感较小，在中等功率条件下具有极高能效，典型解决方案如安森美半导体NCP1605。

    有源 PFC（见图1）通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC 通常提供升压，交流100 至277 Vac的宽输入范围下，PFC 输出电压范围达直流450 至480 Vdc。如果恰当地设计PFC 段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC 转换来提供电流稳流。

    能效问题

    LED 照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国“能源之星”固态照明规范规定了照明器具级的能效，但并不涉及单独 LED 驱动器的能效要求。如前所述，采用AC-DC 电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构， 故可能采用外部AC-DC适配器供电。

    而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范，其 2.0 版外部电源规范于2008 年11 月开始生效，要求标准工作模式下最低能效达87%，而低压工作模式下最低能效达86%；在此规范中，功率大于100 W 时才要求PFC。

    图2：美国能源部2008年秋季提出的LED照明灯具能效研发目标

    而在采用AC-DC 电源的LED 应用中，要提供更高的AC-DC 转换能效，就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之间的折衷问题。例如，若使用更高质量的元件、更低导通阻抗（RDSon），就可降低损耗及改善能效；降低开关频率一般会改善能效，但却会增加系统尺寸。诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能效，却也增加设计及元件的复杂度。如果我们将设计限定在较窄的功率及电压范围，则可以帮助优化能效。