目前設計一般的基本發光二極管(LED)驅動器照明應用相對較簡單，但是如果還需要其他功能如相位控制調光和功率因子校正(PFC)，設計就變得復雜。無功率因子校正功能的非調光LED驅動器通常包含一個脫機式開關電源，用于在恒定電流下調節輸出。

　　這與標準脫機式開關電源如交流對直流(AC/DC)適配器內常用的類型，差別不大。這類設計基于標準交換式電源供應器(SMPS)電路拓撲，如降壓、升壓和逆向變換器。

　　新標準驅策LED調光技術突破

　　2009年12月3日，美國能源部(DOE)發布了最終版《整體式LED燈能源之星認證》要求家用LED驅動器的功率因子必須高于0.7。工業應用要求預計高于0.9。目前，市面上的很多產品均無法滿足這些要求，因此將來勢必須要更先進的設計。有兩種基本功率因子校正方法：低成本的無源功率因子校正(被動式PFC)和有源功率因素校正(主動式PFC)。前者較簡單，后者較復雜，但這兩種方法均要求在轉換器的前端安裝其他電路。

　　在深入探討這些方法之前，應該提到的是，為了達到能源之星的標準，LED驅動器還必須具有調光功能。

　　這通常意味著，可以利用基于相位控制工作原理(其最初設計應用于純電阻式白熾燈)的現有壁式調光器進行調光。雖然其他調光方法如線性0~10伏特調光，或數字尋址照明接口(DALI)可能也符合要求，但其很可能僅限于高端工業類LED驅動器。相位控制調光器是目前為止使用最廣泛的調光器，很明顯這對于利用其為LED燈實現調光功能具有重要優勢。由于市面上存在著大量基于三端雙向可控硅開關的低成本調光器，所以實際上LED驅動器無法保證與各種類型的調光器都兼容，特別是在很多調光器都采用最基本的設計且性能有限的情況下。為此，能源之星項目要求，LED驅動器制造商須在其網站上明確說明產品與哪些調光器兼容。

　　另一個值得一提的能源之星要求是，為排除閃爍的可能性，LED工作頻率必須高于150Hz。這意味著，為LED供電的輸出電流可能不包括兩倍于線路頻率(50或60Hz)的頻率下的大量漣波。

　　脫機應用(如辦公室照明、公共建筑與街道照明等)越來越多采用LED照明，預計今后幾年這種狀態會持續下去。在這些應用中，大功率LED取代了線性或大功率熒光燈(CFL)、金屬鹵化物(HID)和高壓鈉燈和白熾燈。這些應用需要LED驅動器，其功率通常介于25～150瓦(W)之間。很多情況下，LED負載由多組包裝成數組芯片形式的高亮度白光LED組成。驅動這些負載所需的直流電流通常不低于1安培。也有交流電流驅動LED系統，但是我們通常認為直流系統能夠為LED提供更好的驅動條件。

　　多級轉換器打造LED多元調光方案

　　在LED照明器具中，須要進行電鍍絕緣處理以便防止在可以使用LED(多數情況下都會如此，除非使用了機械絕緣系統)的地方發生電擊事件。這是因為與不須要進行絕緣處理就很安全的熒光燈支架不同，LED芯片須要連接到金屬散熱器上。為了實現較高的熱導率，必須在LED鍛模和散熱器之間安裝隔熱層，從而排除了在中間添加厚度以滿足絕緣要求的絕緣材料的可能性。因此，最佳選擇是在LED驅動器內部實現絕緣，這樣就需要合適的功率變換器架構。

　　有兩種可能，即返馳式轉換器(圖1)和多級轉換器(圖2)，后者包括PFC級、絕緣和步降級與后端電流調節級。兩者中，返馳式轉換器更常用，因為其相對簡單，并且成本較低。返馳式轉換器為眾多應用提供了良好的解決方案，然而其具有下列局限性：功率因子校正能力有限。在寬輸入電壓范圍內，效率有限。在兩倍交流電頻率(<150Hz)的頻率下的輸出紋波可能無法輕松消除。需要其他電路方可實現調光功能。

圖1 返馳式變換器簡圖

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圖2 多級轉換器簡圖

　　多級的設計能夠克服其中的一些問題，盡管礙于附加成本限制其在更高階的產品中的應用。例如多級的設計可以在較寬的交流輸入電壓范圍內實現高功率因子和低總諧波失真(THD)，從而讓同一個LED驅動器能夠在110伏特、120伏特、220伏特、240伏特或277伏特等電源下運行。

　　多級的設計亦可以在該范圍(而非峰值)內保持高效率，并不會在特定負載點，且效率不會因條件不同而大幅降低。多級系統更讓設計容易降低150Hz下的輸出漣波，并且能夠更有效地幫助實現不同的調光方法。

　　以下將詳細探討25～150瓦應用的、寬輸入電壓范圍、絕緣、可調光、穩壓直流輸出、多級LED驅動器方案設計。而本例中的多級LED驅動器可以劃分為三部分：前端的PFC部分、中間絕緣與步降部分以及后端的電流調節部分。

　　實現高發光效率　多級LED驅動器應運而生

　　前端部分包括一個升壓轉換器，其被配置為功率因子校正前置調節器，可以在調節成隨線路或負載變化而輸出電壓固定不變的高壓直流準位。由于調節控制回路反應很慢，需要很多個交流頻率周期方可對線路負載變化做出反應，所以其會吸收正弦線路輸入電流。該電路一般在臨界導通模式(亦即轉換模式)下運行。

　　在該模式下，脈沖寬度調變(PWM)處于關斷狀態，因此操作頻率可變，以至于在新切換周期時儲存在升壓電感器內的所有能量都被轉移到輸出端時。該諧振操作模式得到了廣泛使用，并且由于具有最低的開關損耗而實現了高效率。最好在要求的功率范圍內使用。中間級將高壓直流準位電壓(475伏特左右，典型值)轉換為適于驅動LED負載的低壓輸出。為了安全起見，正常情況下利用低壓驅動LED負載，因此驅動電流通常不低于 1安培。

　　絕緣和步降級的推薦配置是諧振半橋，其由一對相互反相驅動的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關組成。這些開關的中心點為高頻步降變壓器原線圈的一端供電，另一端則連接到直流網絡和零伏回路之間的電容分壓器網絡上。這樣，變壓器原線圈就會經歷正、負極性振幅相等的矩形波電壓。

　　次級線圈有中心抽頭，這樣就可以利用一個雙二極管整流器將輸出再轉換為直流。在輸出電流足夠高的地方，整流二極管可以被用作同步整流系統的MOSFET所取代。

　　在工作電流為3安培的典型應用中，測得同步MOSFET的表面溫度為30℃，低于采用同種封裝的蕭特基二極管。可以看出，隨著電流要求的提高，同步整流的散熱優勢就變得很重要。最后，需要平滑電容器來產生低紋波絕緣直流電壓。電容約為幾十微法，因此可以使用陶瓷電容器。

　　為了讓半橋級能夠有效運行，其應該設計成在諧振模式下運行，這樣MOSFET就會發生在零電壓(ZVS)時切換。只須保證滿足下列兩個條件就可以實現：一個 MOSFET切換、與另一個對等的MOSFET組件接通之間有較短的延遲，和中點處的電壓在該延遲期間從一端轉換到了另一端上，進而釋放存儲在電感器內的能量透過MOSFET的二極管導通，這種情況就發生了。變壓器的原線圈必須具有足夠的漏電感方可儲存足夠能量以進行整流。

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　　而為避免變壓器設計復雜化，可透過使用不會為設計增加漏電感的標準高頻變壓器設計，以及單獨為原線圈并聯一個電感器以便簡化整流。設計師還可以用這個電感器幫助基于三端交流硅控開關的調光器實現調光操作，從而為額外成本和空間提供正當理由。而為簡化能量儲存，這種電感器可以采用有隙鐵心，也可以采用開口鐵心。

　　LED驅動器的后端架構包含一個具有短路保護功能的電流調節電路。可以利用線性調節電路達到這一目的，然而這種方法本身效率低下，因此只適于低輸出電流，通常不會應用到多級架構中去。替代方法是使用簡單的、具有電流回饋功能的降壓穩壓器電路，以便限制輸出電流超過期望的 LED驅動電流。其抵消了總LED正向電壓隨溫度和器件容差的變化，還限制了出現短路或其他故障條件時的電流，從而能夠保護驅動器免遭損壞。

　　在將若干輸出級連接到上一級提供的單個絕緣直流電壓上的地方，多通道方法也是可行的。其很有優勢，因為采用這種配置，如果其中一條通道的輸出端發生了斷路狀況，其他通道依然能夠正常運行，并且其允許調節電流的幾條通道為不同的LED數組供電，毋須并聯LED數組。眾所周知，并聯LED仍有瓶頸，除非 LED在相似的溫度下運行、具有類似的正向電壓降，所以具有多個獨立輸出的驅動器優勢明顯。

　　三端交流硅控開關加持　調光操作輕松上手

　　大多數常見調光器通過利用基于三端雙向硅控開關的簡單電路，進行前緣相位舍棄來實現調光操作。這些調光器原本設計用于白熾燈泡(其屬于純電阻負載)。三端交流硅控開關組件是一種半導體開關，只有在其被施加到第三個柵極終端上的脈沖啟動之后，其才會在兩個主端子之間沿任一方向傳導電流。該脈沖可以具有任何極性，因此易于利用建立基本RC時序電路。

　　克服無規律地啟動/周期錯過　開關簡化調光設計

　　工作原理包括在交流周期內的某個點啟動三端交流硅控開關，以便在周期結束、線路電壓降至0伏特之前傳導電流，然后電流流過三端交流硅控開關，導致其再一次關斷。三端交流硅控開關組件具有最小的額定保持電流，低于該值其就會關斷。調整電路內的準位可以控制調光器電路內三端交流硅控開關的啟動點，改變通過的總平均交流電流，從而實現調光操作(圖3)。

圖3 帶有調光電荷泵的前端和半橋

　　然而，即使其包含前端功率因子校正，LED轉換器和其他電源或電子鎮流器也不一定就是調光器的純電阻負載。因此，調光等級降低時，調光器內的三端交流硅控開關傾向于無規律地啟動和錯過周期。

　　影響這一性能的因素十分復雜，但不必深究，因為我們找到了在很大程度上可以克服多級系統問題的簡單解決方案。

　　毋須回到步降變壓器初級端和電容分壓器中點之間的整流電感器，電流可以穿過直流隔離電容器，重新回到線路輸入端。其提供了少量附加電流，可以在交流線路周期結束前防止三端交流硅控開關斷開，并且讓其能夠按照要求在調光范圍內運行。該解決方案利用可能會被浪費的電流、通過基于三端交流硅控開關的調光器簡化了調光操作。

　　這種調光方式行得通，因為隨著調光器等級的降低，來自于前端級的輸出電壓也會降低。這樣，次級電壓也會降低，并且由于LED負載具有固定的總電壓降，所以電壓小幅變化會導致電流和光輸出大幅變化。

　　上述方法可以實現LED的線性調光，從而消除了對更復雜的PWM調光電路的需求，避免了可能發生的專利侵權行為。雖然調光器兼容性會降低效率，但是在需要更高性能的情況下，多級配置仍保留了LED驅動器設計的優勢。