一種替代鹵素?zé)舻膱怨?、?jié)能和高性能方案 - 全文

　　作為鹵素?zé)舻囊环N堅固、節(jié)能和高性能的替代方案，LED 在 24VAC 和 12VAC 照明系統(tǒng)中得到了越來越多的使用。負(fù)責(zé)驅(qū)動 LED 的電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有一個高功率因數(shù) （高于 90% 以滿足被業(yè)界普遍接受的綠色標(biāo)準(zhǔn)），應(yīng)擁有高效率，使用極少的組件，并應(yīng)在運行時保持很低的溫升。它們不需要隔離。

　　一款可滿足上述要求的解決方案整合了一個整流器電橋和一個電流控制型同步升壓 / 降壓型轉(zhuǎn)換器。具體而言，可將一個同步四開關(guān)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器與一個四開關(guān)理想二極管整流器電橋配對使用以驅(qū)動高功率 LED；較低功率的解決方案可采用一個標(biāo)準(zhǔn)的二極管橋。這兩種解決方案皆示于此。

　　LT3791 60V 四開關(guān)同步降壓-升壓型控制器 IC 能把恒定的電流 （DC 或脈動） 驅(qū)動至一個高功率 LED 燈串中。該器件具有一個輸出電流反饋環(huán)路和一個 CTRL 調(diào)光輸入引腳，前者用于驅(qū)動恒定電流流過一個 LED 燈串，而后者則可連接至一個整流器電橋的 120Hz 半正弦波輸出以產(chǎn)生一個高功率因數(shù)脈動 LED 電流輸出。

　　LT4320 是一款理想二極管整流器電橋，其可取代 4 個典型的整流器二極管來驅(qū)動 4 個 MOSFET，從而實現(xiàn)從 60Hz 24VAC 輸入至 24VRMS 120Hz脈動輸出的極高效率轉(zhuǎn)換。當(dāng)電流達(dá)到 5A 及更高時，標(biāo)準(zhǔn)整流器電橋中的二極管將耗散大量的功率并升溫。LT4320 通過驅(qū)動低電阻外部 N 溝道 FET 來幫助高功率 AC 應(yīng)用以高效率和低溫升的方式運行。

　　98.1% 的功率因數(shù)

　　圖 1 示出了一個直接采用 24VAC 以 98.1% 的功率因數(shù)運作的 LED 驅(qū)動器。其能夠在 LED 電流峰值為 4.4A 的情況下以 120Hz 脈動功率驅(qū)動高達(dá) 25V LED。在 120Hz 頻率下，人眼察覺不到光的脈動并認(rèn)為光線的亮度是恒定的。圖 2 示出了高功率因數(shù) 24VAC 輸入電壓和電流波形。120Hz 脈動 LED 電流波形示于圖 3。

　　圖 1：24VAC至60W LED驅(qū)動器 （等效于600W鹵素?zé)簦?具有高功率因數(shù)和高效率

　　圖 2：60Hz 24VAC 輸入波形

　　圖 3：120Hz 脈動 LED 驅(qū)動器波形

　　利用 CTRL 引腳電壓完成的 LED 電流折返用于實現(xiàn)高功率因數(shù)。最大 LED 電流由 RLED 設(shè)定在 4.5A，但是 CTRL 引腳監(jiān)視經(jīng)整流之后的 120Hz PVIN 輸入電壓 （見圖 4） 并對 LED 電流波形進行整形以與輸入相匹配。當(dāng)輸入降至停機引腳門限以下時，IC 進入停機模式且開關(guān)操作停止。LED 電流隨著輸出電容器的放電而變小并很快，輸入上升至高于停機引腳門限且 LT3791 啟動后備。由于 CTRL 引腳在低輸入情況下折返 LED 電流，因此啟動條件并不嚴(yán)苛，并且浪涌電流不會影響高功率因數(shù)。

　　圖 4：120Hz 脈動 PVIN

　　高效率和高功率因數(shù) 60W 脈動 LED 驅(qū)動器

　　圖 1 中的 24VAC 脈動 LED 驅(qū)動器轉(zhuǎn)換器能夠以 94% 的效率提供大約 60W 的 LED 照明。這款環(huán)保型解決方案大致等效于 600W 的鹵素?zé)粽彰?，而且沒有使用鉛、汞、氬以及氙或氪氣體。LT3791 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器的 4 個同步開關(guān)和 LT4320 理想二極管橋的同步開關(guān)負(fù)責(zé)實現(xiàn)高效率。如圖 5 所示，盡管執(zhí)行 60W 轉(zhuǎn)換，電路組件仍然保持低溫狀態(tài)。組件的溫升不到 24°C，這表明其為更高功率的應(yīng)用提供了充足的余量空間。標(biāo)準(zhǔn)的整流器電橋?qū)a(chǎn)生大約 50°C 的溫升，而且運行效率要低好幾個百分點。

　　圖 5：在圖 1 所示的高效率 LED 驅(qū)動器中組件保持低溫狀態(tài)。請注意，LT4320 理想驅(qū)動器可在滿 LED 電流條件下處于低溫運行狀態(tài)。在提供 60W 的 LED 功率時，LT3791 高功率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器和支持組件的溫升小于 24°C。位于電路板背面的 4 個理想二極管橋 MOSFET （嵌入） 的溫升小于 13°C （環(huán)境溫度為 23°C）。

　　總效率通過分別測量輸入功率、功率因數(shù)和提供的輸出功率來計算。當(dāng)采用一個 HP 6812A AC 電源，測量值為 63.0W 實際輸入功率、64.4W 視在輸入功率和 98.1% 功率因數(shù)。

　　輸出功率的測量稍微復(fù)雜一些。使用一個電流探頭和示波器在轉(zhuǎn)換器的輸出端上捕捉脈動電流和電壓波形。根據(jù)這些波形來計算針對 LED 導(dǎo)通時間 （tON） 的轉(zhuǎn)換器輸出 RMS 電流和電壓。導(dǎo)通時間輸出功率為 POUT（ON） = VRMS（ON） ? IRMS（ON）。在 LED 斷開時間里 （此時電流為零） 輸出功率為零。60W 的輸出功率借助一個簡單的占空比公式來計算：POUT = POUT（ON） ? tON ? 120Hz。總效率 = 輸出功率 ÷ 實際輸入功率。

　　高效率和高功率因數(shù) 24W 脈動 LED 驅(qū)動器

　　圖 6 中的電路是一款采用 24VAC 輸入運作的高效率和高功率因數(shù) 24W 脈動 LED 驅(qū)動器。由于此處的功率級別不到圖 1 中 60W LED 驅(qū)動器的一半，因此圖 6 中示出的整流器電橋由 4 個分立的肖特基二極管 （而不是理想二極管） 構(gòu)成。這種出于簡單性所做的折衷其代價是效率略有下降和熱耗散增加。

　　圖 6：供替代的 24W 解決方案為簡單起見采用了一個標(biāo)準(zhǔn)的二極管整流器

　　該 24W 電路的主體與 60W 電路是相同的，而且兩者以同樣的方式運作。24W 電路的效率為 90%，低于 60W 電路所實現(xiàn)的 94%。然而，由于總體功率較低，因此這種損耗還是可以接受的，從而使得兩者的分立式整流器電橋組件中的溫升相當(dāng)。當(dāng)采用分立式二極管整流器電橋時，組件僅升溫至 49°C （如圖 7 所示），完全符合大多數(shù)高功率 LED 驅(qū)動器的要求。

　　圖 7：24W 解決方案的熱性能

　　如欲提高效率，只需用一個基于 LT4320 的整流器替換分立型整流器即可。總體而言，當(dāng)功率級別和溫度上升時，在轉(zhuǎn)換器和整流器中運用同步整流的需求程度將隨之攀升。

　　結(jié)論

　　LT4320 和 LT3791 同步降壓-升壓型脈動 LED 驅(qū)動器相組合，可在 120Hz 頻率下以 98.1% 的功率因數(shù)和 94% 的效率提供 60W 的 LED 功率。該電路能夠用更加堅固和環(huán)保的 LED 輕松地取代高功率 24VAC 鹵素?zé)粽彰鞣桨?。在較低的功率級別上，LT3791 可與一個簡單的分立式二極管整流器電橋配合使用，例如：在一個具有 90% 效率和同樣高功率因數(shù)的 24W LED 驅(qū)動器中。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)5月《綠色照明技術(shù)特刊》EE Design欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處，違者必究！