高功率LED 的問世加速了LED 在照明產(chǎn)業(yè)的普及，同時(shí)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(jì)LED 照明系統(tǒng)時(shí)的主要考慮因素，同時(shí)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(jì)良好的LED 驅(qū)動(dòng)器必須能提供精確的電流輸出且不受輸入電壓及輸出負(fù)載變化影響，且同時(shí)
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(fù)載或高負(fù)載時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率。本文將探討如何利用恒流LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)器皆可達(dá)到點(diǎn)亮LED
的目的。圖1 為最簡(jiǎn)單的定電壓LED驅(qū)動(dòng)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(jì)LED 電流為20mA，所要使用
的鎮(zhèn)流電阻經(jīng)計(jì)算為70Ω。雖然這種鎮(zhèn)流器架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是若VIN 變動(dòng)則LED 輸出亮度也必然會(huì)隨之改變；
同時(shí)量產(chǎn)品的LED 順向偏壓不一致也會(huì)對(duì)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(huì)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(shí)效率會(huì)越形低落。
圖1 定電壓LED 驅(qū)動(dòng)器
另一個(gè)常用的LED 驅(qū)動(dòng)器為如圖2 所示的恒流模式驅(qū)動(dòng)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(dòng)器比較，恒流模式驅(qū)動(dòng)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(jì)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(huì)在驅(qū)動(dòng)器上產(chǎn)生過熱的問
題。
高性價(jià)比之LED 照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)--提高led燈管效能
圖2 恒流LED 驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)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(dāng)電源打開時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)LED
電流為零使VSEN 必然低于VH，因此MBI6661 內(nèi)建的MOSFET 導(dǎo)通對(duì)電感充電，此時(shí)電感電流增加連帶使RSEN
兩端電壓VSEN 隨之增加。當(dāng)VSEN 等于VH 時(shí)，內(nèi)建的MOSFET 會(huì)被關(guān)閉，此時(shí)電感電流會(huì)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(dāng)VSEN 電壓等于VL 時(shí)，內(nèi)建的MOSFET 又會(huì)再次導(dǎo)通并重復(fù)之
前的動(dòng)作。由于磁滯型脈沖頻率調(diào)變的特性，電感電流會(huì)一直維持在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，這對(duì)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(huì)隨著負(fù)載電流而變化，電流越大頻率越低。在相同的負(fù)載條件下，
電感越大其切換頻率會(huì)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(shí)量測(cè)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L(zhǎng)ED 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(shí)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(diǎn)。由于MBI6661 使用高壓側(cè)電流檢測(cè)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(jì)上更為簡(jiǎn)單，免除了復(fù)雜的頻率補(bǔ)償設(shè)計(jì)，因此可以大幅減少控制器所需的外部組件，這對(duì)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(jià)比之LED 照明驅(qū)動(dòng)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(tái)灣集成電路公司(TSMC)先進(jìn)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(jì)上，MBI6661 可以有效減少輸出模塊的使用；
同時(shí)在單一模塊內(nèi)允許更多的LED 串連數(shù)，使均流設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)。
保護(hù)功能除了常見的過溫保護(hù)(Over-Temperature Protection)以及欠壓保護(hù)(Under-Voltage Lock-Out)外，MBI6661 同時(shí)內(nèi)建了過電流保護(hù)(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(shí)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(shí)上，蕭特基二極管在高接合溫度(junction temperature)下會(huì)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(duì)控制器而言電流偵測(cè)阻并無法有效偵測(cè)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(shí)線)與熱失控電流(虛線)示意圖
高性價(jià)比之LED 照明驅(qū)動(dòng)。--提高led燈管效能
