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如何降低LED照明開關(guān)電源的待機(jī)功耗?

發(fā)布時間:2013-03-18 責(zé)任編輯:hedyxing

【導(dǎo)讀】如今,LED燈的開關(guān)電源功耗成為LED行業(yè)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。在LED照明應(yīng)用中,專用于待機(jī)電源的輔助功率級并不適用,因?yàn)檎彰鲬?yīng)用在工作期間不存在待機(jī)條件,但是為燈泡供電的開關(guān)電源即便在沒有燈或者燈已損壞的條件下仍然在耗電。因此,本文就來探討如何引入簡單的輔助電路來降低待機(jī)功耗。

與普通光源相比,LED燈具有效率高、環(huán)保和使用壽命長的特性,因而它們正在成為降低室內(nèi)和外部照明能耗的主選解決方案。設(shè)計(jì)用于照明供電的開關(guān)電源也應(yīng)該具有高效率,以便順應(yīng)LED燈的節(jié)能特性。除了在正常工作過程中具有高功率轉(zhuǎn)換效率之外,開關(guān)電源的待機(jī)功耗也成為LED業(yè)界的普遍關(guān)注焦點(diǎn)。在不遠(yuǎn)的將來,待機(jī)功耗有望調(diào)整到1W甚至300mW以下。然而,在LED照明應(yīng)用中,專用于待機(jī)電源的輔助功率級并不適用,主要是因?yàn)檎彰鲬?yīng)用在工作期間不存在待機(jī)條件。但是,為燈泡供電的開關(guān)電源即便在沒有燈或者燈已損壞的條件下仍然與電網(wǎng)連接并吸取能量。這是在照明應(yīng)用中關(guān)心待機(jī)功率水平的主要原因。

在空的辦公樓中,待機(jī)功耗特性不良的照明系統(tǒng)是不環(huán)保的,本文探討如何引入簡單的輔助電路來降低待機(jī)功耗。所提議的電路能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)級的間歇工作,該P(yáng)FC級是降低照明開關(guān)電源的待機(jī)功耗所必需的。為了評估所提議的電路,我們設(shè)計(jì)了一個額定功率為120W的兩級開關(guān)電源,在 寬泛的輸入電壓范圍下可以獲得低于1W的待機(jī)功耗。

兩級配置

由于額定功率的原因和改善功率因數(shù)的需求,LED街燈的開關(guān)電源通常使用兩級配置,它由第一級的PFC模塊和第二級的下游DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。在100W左右的中等功率范圍,臨界導(dǎo)通模式(CRM)是PFC級合適的控制方案。在這個額定功率范圍中,下游DC-DC轉(zhuǎn)換器通常采用準(zhǔn)諧振反激拓?fù)?。高度集成的FAN6300脈寬調(diào)制(PWM)控制器具有一個內(nèi)部波谷電壓檢測器,能夠保證電源系統(tǒng)在寬泛的線路電壓范圍內(nèi)工作于準(zhǔn)諧振狀態(tài),并減小開關(guān)損 耗,使功率MOSFET漏極上的開關(guān)電壓最小化。

為了最大限度減小待機(jī)功耗和改善輕負(fù)載效率,專有的綠色模式功能提供關(guān)斷時間(off-time)調(diào)制,以便降低開關(guān)頻率,并執(zhí)行延長的波谷電壓開關(guān),保證MOSFET在關(guān)斷時漏-源電壓保持在最低水平。使用這項(xiàng)特性,第二DC-DC級在無負(fù)載條件下進(jìn)入間 歇工作模式,能夠獲得非常理想的待機(jī)功耗特性。大多數(shù)現(xiàn)有的PFC控制器并無間歇工作功能,主要是因?yàn)镻FC級最初針對消費(fèi)應(yīng)用和顯示器應(yīng)用,而在那些應(yīng) 用中為PFC和DC-DC級提供電壓源的輔助電源是分離的。在LED照明應(yīng)用中,通常不采用輔助功率級,因此,應(yīng)該關(guān)斷PFC級,否則待機(jī)功耗無法低于1W。

PFC級的間歇工作模式

在兩級開關(guān)電源中,應(yīng)關(guān)斷PFC級,以滿足待機(jī)功耗法規(guī)的要求。關(guān)斷PFC級的主要原因是大多數(shù)PFC控制器沒有間歇工作(Burst- operation)特性。如果PFC控制器不支持間歇工作模式,PFC級將會連續(xù)工作,即便在無負(fù)載條件下也會吸取能量。因此,對于帶有現(xiàn)有PFC控制 器的兩級開關(guān)電源設(shè)計(jì)而言,關(guān)斷PFC級是唯一可行的方法。但是,在重新啟動PFC級時會出現(xiàn)大的沖擊電流,并導(dǎo)致MOSFET等功率開關(guān)上電壓或電流應(yīng) 力的增加。此外,還會導(dǎo)致LED燈在恒流工作期間出現(xiàn)閃爍。業(yè)界需要找到一種新途徑來滿足待機(jī)功耗法規(guī)要求,同時避免上述問題。解決完全關(guān)斷PFC級帶來 的這些副作用的一個可行方法是PFC級采用間歇工作方式。

建議使用一種簡單的輔助電路,將PFC的工作與準(zhǔn)諧振反激DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步,因?yàn)楫?dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器開始間歇工作時,PFC級也能夠進(jìn)入間歇工作模式。一旦第二級反激轉(zhuǎn)換器結(jié)束間歇模式工作,PFC級會立即退出間歇工作模式。圖1為該輔助電路的工作原理。PFC級的偏置電源受到準(zhǔn)諧振反激DC-DC轉(zhuǎn)換器反饋的控制。

實(shí)現(xiàn)PFC級間歇工作的電路
圖1:實(shí)現(xiàn)PFC級間歇工作的電路

在無負(fù)載條件下,當(dāng)反激轉(zhuǎn)換器的反饋電壓下降時,PFC級的電源電壓被切斷,PFC控制器停止工作。圖2顯示負(fù)載從滿負(fù)載到無負(fù)載,再到滿負(fù)載過程 中的工作波形。一旦第二級反激轉(zhuǎn)換器進(jìn)入間歇工作,PFC級便進(jìn)入間歇工作模式,并與反激轉(zhuǎn)換器同步停止間歇工作模式。通過對PFC級執(zhí)行間歇工作,可以 消除可能引起潛在問題的大浪涌電流,并且大幅降低待機(jī)功耗。

為了評測PFC級的間歇工作,使用FAN7930臨界導(dǎo)通模式PFC控制器、帶間歇工作功能的 準(zhǔn)諧振反激控制器FAN6300A以及所提議的PFC控制電路,設(shè)計(jì)了一個用于LED街燈的的120W(48V/2.5A) LEB-016演示線路板。如圖2所示,建議的電路工作出色。表1所示為在各種輸入線路電壓下的待機(jī)功耗測量值。可以證明:在寬泛的輸入范圍內(nèi),可以使待 機(jī)功耗降低80%以上。還可以在高線路輸入電壓下獲得低于0.3W的待機(jī)功耗。

進(jìn)入間歇工作(左圖)并返回到滿負(fù)載工作(右圖)
圖2:進(jìn)入間歇工作(左圖)并返回到滿負(fù)載工作(右圖)

表1:待機(jī)功耗



這是一種簡單但非常有效的改善照明開關(guān)電源待機(jī)功耗的方法。這個建議的電路可以使PFC級與第二級DC-DC轉(zhuǎn)換器同步進(jìn)行間歇工作。這種方法消除了與關(guān)閉和重啟PFC級相關(guān)的涌入電流問題。建議的電路可以有效降低待機(jī)功耗。通過評測線路板驗(yàn)證,在較寬的輸入電壓范圍內(nèi),可以使待機(jī)功耗小于1W。所提議的方法對于通常沒有待機(jī)功率調(diào)節(jié)模塊的照明應(yīng)用具有很大的吸引力。
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