兩種緊湊，高效的燈泡更換設計理念

LED燈現在作為標準白熾燈的插件替代品在零售店中占據顯著位置。在標準尺寸燈泡的頸部內安裝LED所需的保護和恒流驅動電子設備是一種擠壓，特別是對于使用T8燈管或基于愛迪生螺旋的緊湊型設計的燈具。在這些應用中，驅動電子設備的空間非常小，并且限制了可以使用的部件的尺寸和數量。缺乏空間也加劇了熱管理問題。更糟糕的是，LED負載的位置使其與電源緊密熱接觸。為避免過熱和隨之而來的故障，LED驅動器必須以盡可能高的效率運行。

嚴格的規定

除了提供穩定的恒流輸出外，LED驅動器（電源）還必須遵守日益嚴格的法規，涵蓋功率因數和電源消耗的諧波失真。 1 許多LED驅動器解決方案采用兩級方法，具有升壓PFC級，后接一個恒流驅動器，通常是反激式轉換器。升壓PFC級通常可實現95％的最大效率，恒流驅動器約為90％，整體效率達到85％。

這種方法需要一個電感器，兩個電源開關和兩個控制器 - 許多組件都可以裝入一個小型燈殼中。 PFC級和反激式轉換器分別執行開關電流流動或輸入和輸出電流整形的類似功能。如果兩個開關活動可以組合成單個級，則需要更少的組件，并且僅用一個驅動器電路和一個開關級就可以實現更高的效率。

圖1：使用組合式PFC和CC轉換器的單級LED驅動器。

這種電路如圖2所示 - 單級，組合PFC和恒流驅動器，使用Power Integrations公司生產的LinkSwitch?-PH IC。 2 單片器件采用725 V功率MOSFET與集成控制和保護電路配合使用。

圖2：單級組合PFC和CC轉換器使用LinkSwitch-PH（來源：Power Integrations）。

控制PFC和恒定電流

控制器結合了專有的功率因數校正技術和初級側控制連續導通模式PWM開關功率級。通過在單個集成電路內將這種控制方法與單片功率MOSFET和相關的驅動電路相結合，可以顯著減少LED驅動器的元件數量。

使用LinkSwitch-PH IC和圖2所示的電路，對于需要電路的15 W LED驅動器（相當于60 W白熾燈泡），可實現大于90％的轉換效率比同等的兩階段方法更少的組件。由于輸入電流直接由電源開關整形，因此不需要輸入大容量電容。 LED驅動器不使用電解大容量電容器，其在LED燈中所見的升高的環境溫度下具有短壽命，這可能導致兩級解決方案的問題。

最低成本的非隔離解決方案

雖然隔離式反激式轉換器非常有效，但它們在效率，尺寸和成本方面存在一些限制。電源變壓器中的開關損耗降低了整體效率，而電氣隔離間隙空間可占據8 W轉換器總可用電路板面積的15％以上。由于變壓器必須滿足高壓隔離要求和更昂貴的結構，因此磁性元件的成本更高。

更簡單且成本更低的方法，至少對于高達30瓦的功率水平，是使電源不隔離并使用燈泡外殼作為安全隔離。這允許使用更有效（無變壓器損耗）的簡單降壓/降壓 - 升壓轉換器，并使用更低成本的磁性（電感器）。仍然可以使用已經描述的LinkSwitch-PH系列器件和Power Integrations的LinkSwitch?-PL系列的單級組合PFC + CC轉換方法。這些器件可配置為用于低壓輸出的高效降壓轉換器，提供具有低THD的高PF，并實現高集成度和簡單降壓架構所固有的節省。這種方法適用于許多設計，尤其適用于高壓應用（176 VAC至264 VAC）。

使用盡可能高的LED串電壓獲得高效率，但是，特別是在低壓（90 VAC至132 VAC）應用中，這種方法顯示出降壓轉換器的局限性。如果輸出串電壓過高，降壓轉換器無法提供具有足夠低THD的解決方案以滿足EN61000-3-2（C/D）或達到20％的典型ATHD限值。通過創建與電壓波形的正弦波形狀緊密匹配的電流波形來實現低THD。當輸入電壓（整流正弦波）超過輸出級時，降壓轉換器只能將電流傳遞到輸出級。因此，對于每個AC線半周期的一部分，當電壓從零上升（并且當電壓接近零時），不會發生功率因數校正并且THD減小。對于高輸出電壓（在低壓應用中超過35 VDC），導通角很短，轉換器不再能夠產生符合EN61000-3-2C/D諧波電流限制的電流波形。

對于高效應用中的許多非隔離LED驅動器，使用降壓 - 升壓轉換器方法。降壓 - 升壓的一個固有優勢是無論輸出電壓電平如何，它都可以連續從AC輸入獲取功率，使輸入電流接近正弦波。兩個例子證明了這種方法的功效和優雅。第一種是長串LED驅動器，設計用于安裝在T8管燈內。該電路能夠驅動100 V LED串，但效率超過91％，功率因數大于0.9，THD超過25％。第二種設計使用最少的組件，旨在安裝在小型B10燈罩內。

圖3：采用LNK409EG的25 W降壓 - 升壓型LED驅動器原理圖（來源：Power Integrations）。

圖3是采用降壓 - 升壓拓撲的完整非隔離25 W功率因數校正LED驅動器電路。 3 它提供250 mA恒定電流輸出，標稱值為100 V，電壓為180 -265 VAC輸入。

物理設計非常出色，如圖4和圖5所示。電路板寬19.5毫米，高10毫米。

圖4：填充電路板（來源：Power Integrations）。

圖5：安裝在T8燈管中的LED驅動器（來源：Power Integrations）。

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組成。由于管內的空間限制，使用兩個電感器。 T1和T2一起提供所需的降壓 - 升壓電感，T1中的偏置繞組為U1提供電源電流，并為斷開的負載/過壓關斷功能提供反饋。

無電流檢測

LinkSwitch-PH IC提供高精度輸出恒流控制，無需與負載串聯的電流檢測電阻。 R7-R10，Q1，C6和D5包含一個電壓 - 電流轉換器網絡，可向反饋（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線電壓。 C3上的電壓以及R3和R4設置輸入電壓進入電壓監測（V）引腳。 U1使用該電流來控制線路欠壓（UV），過壓（OV）和前饋電流。

LinkSwitch-PH器件內部控制引擎結合反饋引腳電流，電壓監測引腳電流和漏極電流信息，在1.5：1輸出電壓變化范圍內提供恒定輸出電流（LED串電壓變化± 25％），在固定線路輸入電壓。恒流控制引擎可補償電感容差以及輸入和輸出變化。

低EMI特征是LinkSwitch-PH的連續導通模式PFC功能和頻率抖動的結果。這種EMI濾波非常簡單，足夠小，可以安裝在T8燈管的范圍內。

Candelabra

第二個例子中應用的設計目標是高效率和小尺寸，使驅動器適合裝入燭臺和B10尺寸燈。

圖6：使用LNK458KG的4.5 W降壓 - 升壓電源（來源：Power Integrations）。

圖6顯示了4.5 W功率因數校正LED驅動器（非隔離降壓 - 升壓），這次使用Power Integrations的LinkSwitch-PL LNK458KG。 4 LinkSwitch-PL 5 IC與前面討論的LinkSwitch-PH設備非常相似。它們針對低功耗，非隔離應用（高達16 W）進行了優化，并且只需四個連接即可提供。該控制算法使用直接LED電流檢測，并且可以使用最少的外部元件支持無閃爍TRIAC調光。

圖6所示電路從85 -135 VAC輸入提供超過42 - 56 V的90 mA恒流輸出。盡管元件數量非常少，但LED驅動器的效率超過86％，PF大于0.95，而115 VAC時THD超過15％。

圖7：填充電路板（來源：Power Integrations）。

圖7中的填充電路板僅寬16 mm，長28 mm。

設計選擇

為了最大限度地減少元件數量和最大化效率，我們做出了許多重要的設計選擇該設計經過優化，可在低交流輸入電壓范圍（85-135 VAC和47-63 Hz）下工作。在使用中，驅動器與LED負載一起封裝在密封的外殼中。非隔離輸出依靠外殼為用戶提供保護，如果LED輸出失效開路，驅動器將關閉以防止發生過壓。

在電路輸入端，EMI濾波由2-π濾波器網絡執行，該濾波器網絡由電容器C1，C2，C3和差分扼流圈L1和L2組成。輸入濾波器加上LinkSwitch-PL器件的頻率抖動功能可以符合B類發射限值。有限的總電容保持高功率因數。

降壓 - 升壓動力傳動系由U1（電源開關+控制），D2（續流二極管），C7（輸出電容）和L3（電感）組成。二極管D1用于防止出現在U1的漏極 - 源極上的負電壓，特別是在輸入電壓的過零點附近。當功率MOSFET導通時，旁路電容C4為器件提供內部電源。輸出電流反饋通過R3上的壓降檢測，然后通過低通濾波器（R4和C5）進行濾波，以保持LinkSwitch-PL IC工作點，使得平均FEEDBACK（FB）引腳電壓為290 mV in穩態運行。

只需調整R3和R5的值即可設置輸出電流工作點。通過將R3更改為12.7Ω，將R5更改為13Ω，電路將在96 V標稱輸出下提供45 mA電流。