高功率LED 的問世加速了LED 在照明產(chǎn)業(yè)的普及，同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。LED 的使用壽命及電源轉(zhuǎn)換效率
成為設(shè)計LED 照明系統(tǒng)時的主要考慮因素，同時必須提供恒流(constant current)以維持LED 色彩與亮度的一
致性。因此，設(shè)計良好的LED 驅(qū)動器必須能提供精確的電流輸出且不受輸入電壓及輸出負載變化影響，且同時
兼顧能源轉(zhuǎn)換效率及輸出漣波等影響使用壽命的特性。磁滯型脈沖頻率調(diào)變技術(shù)(Hysteretic PFM, HPFM)可以
大幅提升系統(tǒng)在低負載或高負載時的電源轉(zhuǎn)換效率。本文將探討如何利用恒流LED 驅(qū)動器設(shè)計出具有高效率、
高穩(wěn)定性且兼具高信賴性的LED 照明系統(tǒng)--提高led燈管效能。
定電壓 vs. 恒流驅(qū)動模式
一般而言，LED 的輸出亮度與流經(jīng)LED 的順向電流約略成正比，使用定電壓或恒流驅(qū)動器皆可達到點亮LED
的目的。圖1 為最簡單的定電壓LED驅(qū)動器，LED電流是由與LED串聯(lián)的電阻R1-Rn與LED的順向偏壓(forward
voltage, VF)所決定。例如，輸入電壓為5V，LED 順向偏壓為3.6V，如果要設(shè)計LED 電流為20mA，所要使用
的鎮(zhèn)流電阻經(jīng)計算為70Ω。雖然這種鎮(zhèn)流器架構(gòu)非常簡單，但是若VIN 變動則LED 輸出亮度也必然會隨之改變；
同時量產(chǎn)品的LED 順向偏壓不一致也會對每一串LED 的輸出亮度產(chǎn)生影響。在鎮(zhèn)流電阻上的功率損耗也會造
成過熱及低效率的問題，特別是在輸入電壓與LED 輸出電壓相差極大時效率會越形低落。
圖1 定電壓LED 驅(qū)動器
另一個常用的LED 驅(qū)動器為如圖2 所示的恒流模式驅(qū)動器。在圖2 中，LED 的電流是由線性穩(wěn)壓器所提供，
其電流可由R1 電阻設(shè)定。與定電壓模式驅(qū)動器比較，恒流模式驅(qū)動器藉由控制檢流電阻R1 兩端跨壓可以直接
控制流經(jīng)LED 的電流，在這種設(shè)計架構(gòu)下，LED 輸出電流只與R1 的精確度相關(guān)，不受輸入電壓變化或是LED
順向偏壓不一致影響。但是如果輸入電壓與LED 輸出電壓之間壓差過大的話，還是會在驅(qū)動器上產(chǎn)生過熱的問
題。
高性價比之LED 照明驅(qū)動設(shè)計--提高led燈管效能
圖2 恒流LED 驅(qū)動器
磁滯型脈沖頻率調(diào)變
MBI6661 的磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制方式可以在輕載應(yīng)用下有效提升系統(tǒng)的效率。圖3 為MBI6661 的應(yīng)用電
路，而圖4 為磁滯型脈沖頻率調(diào)變方式的波型示意圖。圖3 中RSEN 電阻兩端的直流壓降定義為VSEN，MBI6661
的輸出電流即是由此電壓及電阻而定(MBI6661 中VSEN=100mV)。圖4 中的VH 為MBI6661 內(nèi)部的高位準參考
電壓，其值為VSEN 電壓的1.15 倍，而VL 為VSEN 的0.85 倍。磁滯調(diào)變的原理為當電源打開時，因為此時LED
電流為零使VSEN 必然低于VH，因此MBI6661 內(nèi)建的MOSFET 導(dǎo)通對電感充電，此時電感電流增加連帶使RSEN
兩端電壓VSEN 隨之增加。當VSEN 等于VH 時，內(nèi)建的MOSFET 會被關(guān)閉，此時電感電流會透過飛輪二極管(D1)
放電而下降，因而使VSEN 電壓隨之下降。而當VSEN 電壓等于VL 時，內(nèi)建的MOSFET 又會再次導(dǎo)通并重復(fù)之
前的動作。由于磁滯型脈沖頻率調(diào)變的特性，電感電流會一直維持在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，這對降低LED 輸出
漣波電流有很大的幫助。
磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制方式的切換頻率會隨著負載電流而變化，電流越大頻率越低。在相同的負載條件下，
電感越大其切換頻率會越低。MBI6661 的切換頻率必須被控制在40kHz 以上以避免音頻噪聲的發(fā)生。供做切換頻率與各參數(shù)間的關(guān)系可以推導(dǎo)如下：
RDS(ON) 為MBI6661 內(nèi)部MOSFET 的導(dǎo)通電阻，此值為在電源電壓VIN =12 伏特時量測值不超過0.35Ω
L1 為電源轉(zhuǎn)換器的主電感
D 為MBI6661 工作占空比，D=VOUT÷VIN
FSW 為MBI6661 工作切換頻率
IOUT 為LED 輸出電流，△IL 為電感的漣波電流，△IL=(1.15xIOUT)–(0.85xIOUT)=0.3xIOUT
VSEN 為檢流電阻上的直流壓降，VIN 為輸入電壓，VOUT 為輸出的LED 電壓。
除了可改善輕載時的效率外，磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制方式也具有其他優(yōu)點。由于MBI6661 使用高壓側(cè)電流檢測技術(shù)(high-side sensing)，在檢流電阻上所損失的功耗很小，因此可使用較小體積的檢流電阻。相較于傳統(tǒng)定頻式脈波寬度調(diào)變控制技術(shù)(Pulse-Width Modulation, PWM)而言，磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制回路設(shè)計上更為簡單，免除了復(fù)雜的頻率補償設(shè)計，因此可以大幅減少控制器所需的外部組件，這對節(jié)省電路板的空間及生產(chǎn)制造的成本是有正面幫助的。
高性價比之LED 照明驅(qū)動方案--提高led燈管效能
圖3 MBI6661 應(yīng)用電路 圖4 磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制方式的波型示意圖
支持更高的輸入電壓
不同于一般市面上常見的降壓(Buck)型控制器多只支持到最高40V 的輸入電壓，MBI6661 采用臺灣集成電路公司(TSMC)先進的60V BCD 制程工藝，將最大支持輸入電壓提升至60V(最大耐壓超過75V)，除了可以完全支持常見的48V 的直流輸出電壓外，更一舉將單一模塊最大支持的輸出功率提升到60W (60V, 1A 輸出)，相較于目前市面常見方案有50%的提升。在高輸出功率照明裝置的設(shè)計上，MBI6661 可以有效減少輸出模塊的使用；
同時在單一模塊內(nèi)允許更多的LED 串連數(shù)，使均流設(shè)計更容易實現(xiàn)。
保護功能除了常見的過溫保護(Over-Temperature Protection)以及欠壓保護(Under-Voltage Lock-Out)外，MBI6661 同時內(nèi)建了過電流保護(Over-Current Protection)。在12V/24V 的MR-16 應(yīng)用中，使用者常發(fā)現(xiàn)在散熱不佳的密閉使用環(huán)境下轉(zhuǎn)換器IC 容易莫名燒毀，而燒毀時輸出電流及電壓均無異常，造成客訴上棘手難解的問題。事實上，蕭特基二極管在高接合溫度(junction temperature)下會產(chǎn)生熱失控(thermal runaway)，也就是伴隨著高接合溫度下激發(fā)出更多的自由電子導(dǎo)致反向偏壓下的逆向漏電流大幅增加。
如下圖5 所示，對控制器而言電流偵測阻并無法有效偵測此一漏電流(虛線所示)，因此最終導(dǎo)致功率開關(guān)被過電流燒毀。
圖5 正常工作電流(實線)與熱失控電流(虛線)示意圖
高性價比之LED 照明驅(qū)動。--提高led燈管效能
