低功率LED照明趨勢

LED照明應用將從三個基本輸入功率水平劃分開始：小于或等于20W功率的低功率、20W到50W之間的中等功率，以及大于50W應用的大功率：參見圖1。請記住，真實世界應用不會恰好符合這三種分法，但當考慮LED驅動器解決方案時，這三種功率水平是一致的。LED應用專注于高亮度LED設計。

本文的主題為≤20W低功率應用，尤其是燈泡型照明燈的替換或改型—替代現有燈具和照明器具。這也包括新結構照明器具。

低功率LED照明的趨勢

2010年全球高亮度LED的銷售估計在8.90億美元，預計從2010年到2015年，年均增長率(CAGR)為39%，可見市場潛力很大。但對于LED驅動器，主要趨勢是與驅動器相關的功效改進、成本降低和長工作壽命。功效就是流明與瓦特之比。

“DOE SSL（美國能源部固態照明）計劃”預計高亮度LED的潛力會超出今天和過去的傳統技術；圖2和圖3顯示了功效不斷提高的趨勢。在功效的定義上，輸入功率位于分母，輸入功率以及將能量傳遞給LED燈串的效率與LED驅動器解決方案相關。在全范圍LED負載功率和負載可能性下，單一的驅動器拓撲不是最佳選擇，但可以考慮最少的拓撲來滿足全部的LED驅動器開發需求。

選擇最高效的半導體，可作為選擇拓撲的依據，但驅動器的成本也是約束條件。DOE SSL計劃估計現今的成本如圖4所示；驅動器占總體制造成本的10%～20%。

這是最終用戶看到的總體成本目標，對于LED照明解決方案的采用，這已成為最常見的阻礙而無關性能改進。美國能源部在2011年固態照明市場介紹研討會上提出的成本目標要求如圖5所示；幾乎每4年成本下降50%。LED驅動器拓撲選擇還可帶來成本最佳的解決方案。

工作壽命也與電源的可靠性有關。可靠性受LED驅動器的元件數目、所用元件類型、溫度或功率損耗的影響。使用元件數目法可以計算LED驅動器的可靠性并根據目標確定減少元件的數目。可靠性也受工作溫度影響，因而熱設計也是重要的，同樣重要的是減少與LED驅動器元件和拓撲控制方法相關的功率損耗。發展趨勢是省去電解電容器，以及光隔離器等其它元件，并將功能集成在硅控制器件中。

低功率LED驅動器設計挑戰

低功率LED應用分析

下面將回顧低功率LED照明；結構、功能、設計挑戰和應用趨勢。

MR11/16 LED燈

MR11/16燈是一種典型的鹵素燈，其普通型的額定功率為20W、35W和50W。

系統結構

現有鹵素燈的典型設計如圖6所示

輸入電壓可以是DC 12V或24V，或者直接插接到120V或230V AC市電電源。12V或24V電壓可以來自一個簡單變壓器，該變壓器使用主電源AC電壓并輸出12 V/24V AC作為燈座輸入。LED替代產品需要作為一個恒流源來控制。一個4W的LED MR燈相當于一個20W鹵素燈。某些型號具有調光特性，發展趨勢是此類產品的供應增多。

驅動器設計挑戰

MR11/16設計的最大挑戰是缺乏標準，包括燈具和燈泡外形、功率因數和總諧波失真要求(能源之星LED燈具≥0.9，對于>5W的一體燈，≥0.7)，以及低系統功率效率。考慮到圖7燈的尺寸必須包含驅動器，占位空間小的LED驅動器受到歡迎。

有兩種印刷電路板(PCB)外形尺寸，一種如圖8所示，是圓形的，采用LED模塊的背面。圓形直徑應該小于30mm，并且較高的元件位于中心連接器的5mm范圍內。

另一種PCB板的外形尺寸如圖9，是立式的。它需要小于30mmx20 mm。

飛兆半導體的方案

飛兆半導體提出一個新的LED驅動器件來解決AC-DC問題，如圖10所示的FL7701。它是一個智能型非隔離PFC降壓LED驅動器解決方案。直接使用AC線路輸入電壓，有可能實現可用于MR燈罩的小型PCB尺寸。此LED驅動器設計省去了所有的電解電容器：通常用于輸入、輸出和IC Vcc電壓。通過僅使用少量外部元件，可以滿足PF和THD要求，同時實現超過80%的高效率。相對于升壓設計，降壓拓撲還具有連續輸出電流(減少紋波電流)的優勢，因為電感與輸出串聯，對于LED負載，降壓拓撲看起來像恒流源。升壓拓撲的輸出電流是不連續的，除非使用輸出電容器來過濾紋波電流。

A19、E14/17、E26/27燈泡

某些燈泡類型還被簡稱為螺口插座(Edison socket)和蠟燭型燈。多數為白熾燈泡，采用CFL或LED替代產品能夠滿足大多數應用要求。

系統結構

其輸入電壓直接來自AC電源，燈座類型為：E14/17(蠟燭型)，A19/E26/27螺口式，額定功率：1~5W用于蠟燭型燈、4~17W用于白熾燈替換。外形尺寸如圖11所示。

設計挑戰

對于蠟燭型燈的LED驅動器設計挑戰就是小型PCB空間，其空間小于MR燈空間且工作于AC輸入電壓電源。采用LED驅動器設計來替換白熾燈，它的PCB空間比蠟燭型燈或MR燈大，額定功率也較大，因而LED驅動器也較大，實際結果是PCB空間仍然受限，類似于如蠟燭型燈。對于螺口燈泡設計，PF和THD幾乎是強制的。還有額外的調光功能要求。

對于燈座側呈拋物型外形的E26/27燈的PCB外形尺寸，燈座側為20 mm，在LED模塊側為35 mm，長度為70mm，參見圖12。

要求效率大于75%。對兼容調光器設計的少許簡短注釋包括兼容各種保持電流、在大范圍的光幅度內工作呈線性，以及無閃爍。

飛兆半導體解決方案

飛兆半導體的初級調節控制器如表1所示。當工作于恒流調整模式下，使用峰值漏極電流IPEAK和電感器電流放電時間TDIS可以估計出輸出電流，因為在穩態下輸出電流與二極管電流平均值相同。采用飛兆半導體創新的TRUECURRENT技術，可以精確控制恒流輸出。

這些燈型為AC電壓輸入，額定功率介于4W~20W，燈座為螺口型E26/27或2針型GU10，如圖13所示。

有了較大的燈尺寸，就有了相當大的空間來容納LED驅動器解決方案，并且PF和低THD仍然是強制要求。

設計挑戰

這些LED燈的較高瓦數會引起更高的Vds，peak(尖峰)通過MOSFET，因而需要B V D s s額定值較高的MOSFET。對于高壓尖峰，由于輸入電流較高，BVDss額定值必須降低。圖14顯示了電壓尖峰為匯總的Vds，peak = Vin+nVo+Vos，其中nVo是反射的輸出電壓，也稱為Vro。

通常使用緩沖器來限制Vos峰值電壓，但緩沖器會消耗能量，從而降低了LED驅動器效率：

飛兆方案

飛兆半導體的解決方案如表2所示，單級反激與2級方法的對比如表3所示。