LED燈作為標準白熾燈的插入式替換燈，如今已經成為零售商店中的主要陳列產品。在標準尺寸燈泡的頸部裝入LED所需的保護芯片和恒流(CC)驅動電子元件是一項見縫插針式的工作，尤其是對于使用T8燈管或緊湊螺口燈座的照明燈來說更是具有挑戰(zhàn)性。在此類應用當中，容納驅動電子元件的空間極其狹小，這對可使用元件的尺寸和數量都構成了限制。空間不足還加劇了熱管理問題，更糟糕的是，LED負載通常放置在與電源相距非常近的位置。為避免過熱和隨之造成的失效，LED驅動器必須以盡可能高的效率進行工作。

能效法規(guī)日益嚴格

除了提供穩(wěn)定的恒流輸出外，LED驅動器(電源)還必須滿足日益嚴格的能效法規(guī)要求，包括功率因數和電源吸收電流的諧波失真。許多LED驅動器解決方案都采用兩級設計方法，即在一個升壓PFC級后跟一個恒流驅動器(通常為反激式轉換器)。升壓PFC級通常可實現最大約95%的效率，恒流驅動器通常可實現約90%的效率，從而整體效率達到85%。

這種方法需要用到一個電感、兩個功率開關和兩個控制器，因此有許多的元件需要裝入到狹小的燈殼內。PFC級和反激式轉換器都執(zhí)行類似的功能：分別導通和關斷電流、控制輸入電流和輸出電流波形。如果可以將兩個開關動作合并到一個單級，那么只需要一個驅動電路和一個開關級即可，從而能夠大量減少元件并大幅提高效率(圖1)。

圖1：使用集成式PFC和CC轉換器的單級LED驅動器。

圖2所示正是這樣一個電路——單級、集成式PFC和恒流驅動器采用了Power Integrations(PI)公司的一款LinkSwitch-PH IC。該單片器件同時集成了一個725V的功率MOSFET和集成控制與保護電路。

圖2：使用LinkSwitch-PH的單級、集成式PFC和CC轉換器。

控制PFC和恒流

該控制器將專有的功率因數校正技術與初級側控制連續(xù)導通模式PWM開關功率級相結合。通過將這種控制方法與單片功率MOSFET和相關的驅動電路集成到單個集成電路中，可以大幅減少LED驅動器的元件數。

使用LinkSwitch-PH和圖2所示的電路，可以在比等效兩級方法需要少得多的元件數的電路中，使15W LED驅動器的轉換效率達到90%以上(相當于60W白熾燈泡)。由于輸入電流的波形直接由功率開關控制，因此無需使用大容量輸入電容。LED驅動器不采用大容量的電解電容，該電容在環(huán)境溫度不斷升高的LED燈中壽命較短，這會給兩級設計方案帶來諸多問題。

低成本的非隔離式解決方案

盡管隔離反激式轉換器極其有效，但它們在效率、尺寸和成本方面卻存在一定的局限性。功率變壓器中的開關損耗會降低整體效率，而在8W轉換器中，電氣隔離間隙空間可占電路板總可用面積的15%以上。磁芯的成本也較高，因為變壓器必須滿足高壓隔離要求并采用較昂貴的結構。

一種更簡單且成本可能更低的設計方法(功率水平至少高達30W)，是采用非隔離式電源，將燈泡外殼用作安全隔離。這樣可以使用簡單的降壓/降壓-升壓轉換器，這種轉換器效率更高(無變壓器損耗)且使用更低成本的磁芯(電感器)。此時仍然可以采用單級、集成式PFC和CC轉換方法，使用PI的LinkSwitch-PH系列器件(已作介紹)和LinkSwitch-PL系列器件來設計該轉換器。這些器件可以配置為效率非常高的低壓輸出降壓轉換器，提供高PF和低THD，并從高集成度和簡單的降壓結構中實現成本節(jié)約。這種設計方法對于許多設計都非常有效，尤其是高輸入電壓的應用(176VAC至264VAC)。

高效率是通過使用盡可能高的LED燈串電壓來獲得的，但是特別是在低輸入電壓(90VAC至132VAC)的應用中，這種方法對于降壓轉換器有一定的局限性。如果輸出燈串電壓過高，降壓轉換器就無法提供THD足夠低的解決方案，以滿足EN61000-3-2(C/D)標準或達到20%的典型ATHD限值。低THD通過產生與電壓波形的正弦波非常吻合的電流波形來實現。當輸入電壓(整流正弦波)超出輸出級的電壓時，降壓轉換器只能使電流通過輸出級。因此，對于每個AC輸入半周期的一部分來說，當電壓從零升高時(以及當電壓接近零時)，不會進行功率因數校正且THD會降低。對于高輸出電壓(在低輸入電壓應用中可能超過35VDC),由于導通角非常小，轉換器無法再產生可滿足EN61000-3-2C/D諧波電流限值的電流波形。

對于高效率應用中的許多非隔離式LED驅動器來說，可采用降壓轉換器的方法。降壓-升壓轉換器的一項固有優(yōu)勢是，它可以連續(xù)地從AC輸入吸收功率，而無論輸出電壓水平的高低，這樣可使輸入電流成近似正弦波的狀態(tài)。我們用兩個設計范例來說明這種方法的功效和優(yōu)勢所在。第一個設計是可裝入T8燈管的長燈串LED驅動器。該電路能夠驅動一個100V的LED燈串，同時其效率超過91%、功率因數大于0.9且THD超過25%。第二個設計使用最少量的元件，可裝入小型的B10燈殼。

圖3是一個采用降壓-升壓拓撲結構的完整非隔離式25W功率因數校正LED驅動器電路。它采用180~265VAC的輸入電壓，以100V的標稱輸出電壓提供250mA恒流驅動。

圖3：使用LNK409EG設計的25W降壓-升壓LED驅動器電路圖。[!--empirenews.page--]

它的物理設計非常出色，如圖4和圖5所示。電路板僅19.5mm寬、10mm高。

圖4：裝配后的電路板。

圖5：安裝到T8燈管內的LED驅動器。

降壓-升壓電源電路由U1、輸出二極管D6、輸出電容C5和C7以及輸出電感T1和T2構成。由于燈管內空間受限，因而使用了兩個電感。T1和T2一起提供所需的降壓-升壓電感，T1中的偏置繞組向U1提供電源電流，并為斷接負載/過壓關斷功能提供反饋。

無電流檢測

LinkSwitch-PH無需使用電流檢測電阻與負載串聯，便可提供高精度輸出恒流控制。R7~R10、Q1、C6和D5形成一個電壓-電流轉換器網絡，為反饋(FB)引腳提供與輸出電壓成比例的控制電流。二極管D1和C3檢測峰值AC線路電壓。C3上的電壓以及R3和R4設置饋入電壓監(jiān)測(V)引腳的輸入電流。U1使用該電流來控制線路欠壓(UV)、過壓(OV)和前饋電流。

LinkSwitch-PH中的內部控制引擎綜合反饋引腳電流、電壓監(jiān)測引腳電流和漏極電流信息，在1.5:1的輸出電壓變化范圍內(LED燈串電壓變化為±25%)，以固定的線路輸入電壓提供恒定輸出電流。恒流控制引擎可以補償電感容差以及輸入與輸出變化。

低EMI特性是LinkSwitch-PH的連續(xù)導通模式PFC功能與頻率抖動共同作用的結果。這種EMI濾波比較簡單，尺寸小到足以裝入T8燈管的狹小空間。

蠟燭燈

第二個范例的設計目標是實現高效率和小尺寸，使驅動器能夠裝入蠟燭燈和B10型燈內。

圖6所示為使用PI的LinkSwitch-PL LNK458KG設計的4.5W功率因數校正LED驅動器(非隔離式降壓-升壓拓撲結構)。LinkSwitch-PL IC與前面講到的LinkSwitch-PH器件非常相似。它們都適用于較低功率的非隔離應用(最高功率為16W)，所采用的封裝僅有四個連接?？刂扑惴ú捎弥苯覮ED電流檢測，可以支持外圍元件最少的無閃爍TRIAC(雙向晶閘管)調光。

圖6：使用LNK458KG 設計的4.5 W降壓-升壓電源。

圖6所示的電路可以在輸入電壓為85~135VAC的情況下，提供輸出電壓范圍在42~56V的90mA恒流輸出。盡管元件數非常少，但LED驅動器卻能在115VAC的輸入條件下，實現86%以上的效率，同時PF大于0.95、THD超過15%。

圖7是裝配后的電路板，該電路板僅16mm寬、28mm長。

圖7：裝配后的電路板。

設計選擇

我們做出了許多重要的設計選擇，以便盡可能地減少元件數和提高效率。設計經過優(yōu)化，可以在低AC輸入電壓范圍(85~135VAC、47~63Hz)內進行工作。在使用中，驅動器和LED負載被置于密閉的殼體內。非隔離式輸出依靠殼體來為用戶提供保護;當LED輸出發(fā)生開路故障時，驅動器將關斷以防止出現過壓。

在電路的輸入端，EMI濾波由2-π濾波器網絡(由電容C1、C2、C3及差模扼流圈L1和L2構成)來執(zhí)行。輸入濾波器與LinkSwitch-PL的頻率抖動功能相結合，可使設計滿足Class B干擾限值。限定的總電容可維持高功率因數。

降壓-升壓功率轉換電路由U1(功率開關+控制)、D2(續(xù)流二極管)、C7(輸出電容)以及L3(電感)構成。二極管D1用來防止U1的漏源極兩端出現負電壓，特別是在輸入電壓接近過零點時。旁路電容C4在功率MOSFET導通時為器件提供內部電源。輸出電流反饋通過R3上的壓降來檢測，然后由低通濾波器(R4和C5)進行濾波，以維持LinkSwitch-PL的工作點，從而使反饋(FB)引腳在穩(wěn)態(tài)工作時的平均電壓為290mV。

只需通過調整R3和R5的值即可設置輸出電流工作點。將R3更改為12.7Ω并將R5更改為13Ω后，電路將提供96V、45mA的標稱輸出。