通過單級PFC降壓LED驅動器簡化T8熒光燈的更換設計

照明工程師可利用單級，非隔離，功率因數校正（PFC）降壓LED驅動器簡化LED管8（T8）熒光燈更換設計，可減少元件數量，節省空間并降低成本。這種設計可以取代通常需要大型無源元件的更昂貴的兩級拓撲，使其難以適應有限的管空間。

許多設計師主要出于安全考慮而使用隔離方法。在這些情況下，選擇的拓撲結構是具有初級側反饋或調節的反激式配置。但隨著越來越多的照明設計師詢問如何使用具有成本效益的LED設計T8燈管燈具，由于其更高的效率和更少的元件使用，已經從隔離LED驅動器轉向非隔離LED驅動器。

設計人員通?？梢酝ㄟ^單級非隔離PFC降壓拓撲獲得最高效的設計，從而消除了光隔離器和大型鋁電解輸入大容量電容器。這實現了三件事：它可以延長使用壽命，減少元件數量并降低成本。它還可以更容易地安裝在T8印刷電路板（PCB）中。

有幾種拓撲結構 - 降壓，降壓 - 升壓和抽頭降壓 - 可用于T8燈管設計的單級PFC，非隔離LED驅動器。他們都有自己的優勢和權衡。通常，這些方法具有高效率，高功率因數（PF），良好的總諧波失真（THD）和低元件數，從而轉化為成本更低的解決方案。

在將數字放入這些規范方面，能源之星要求在商業應用中要求PF至少為0.9，盡管許多設計師正在尋找0.95或0.99。 THD（EN 61000-3-2描述了照明系統工業/商業功率因數允許的諧波含量）通常必須低于30％，盡管在許多情況下設計人員尋求的比例不到20％甚至15％。

效率是另一個重要的規范。由于沒有效率標準，這往往成為LED驅動器制造商的競爭戰場。實現高效率至關重要，因為它直接影響發光效率。效率越高，所需的散熱越少。 Power Integrations的產品營銷經理安德魯·史密斯表示，這意味著驅動器更便宜，而且使用更小的PCB，成本更低。

作為使用降壓配置的高效驅動器的示例，Power Integrations為使用LNK460KG控制器的T8 LED燈管提供了一個20 W非隔離式高壓降壓LED驅動器的參考設計（圖1）。該設計提供超過90％的效率，高PF超過0.9，低THD低于15％?？偽锪锨鍐危˙OM）為29個零件。這是一種單級，組合PFC和恒流（CC）輸出設計，不需要電解初級大容量電容，有助于延長驅動器的使用壽命。高線設計意味著它可以處理比低線路降壓轉換器更高的輸出電壓。

圖1：Power Integrations LinkSwitchPL（U1）LNK460KG開關器件采用20 W非隔離降壓LED驅動器，可在單次轉換中控制功率因數和輸出電流，從而實現高效率和非常好的功率因數。 （由Power Integrations提供）。

LNK460KG控制器還可用于低壓非隔離PFC LED驅動器，采用降壓 - 升壓配置，用于T8 LED燈。效率評級大于87％，PF為0.98，THD小于10％。 24個零件的總BOM數量和驅動器的小尺寸（《8 mm高和15 mm寬）使得安裝在T8管內更加簡單。

為了解釋為什么單級非隔離PFC降壓拓撲是T8管燈LED驅動器的最佳方法，我們現在將解決為什么非隔離設計更便宜，以及不同拓撲結構的優勢和權衡。

為什么非隔離便宜？

LED驅動器中最大的成本因素之一是磁性元件。隔離設計需要滿足4?kV的電氣隔離擊穿能力，需要變壓器和相關組件。在非隔離設計中，變壓器被傳統的低成本電感器取代。它還消除了對光隔離器的需求或簡化了反饋組件。

非隔離LED驅動器的主要優點之一是提高效率。效率通常高于90％（約91％或92％），相比之下，10至20 W范圍內的隔離式單級驅動器的效率約為85％至87％。更高效的電源將為LED提供更多功率，這意味著設計人員可以選擇使用更少的LED或更便宜的LED來提供相同數量的總光輸出。

例如，飛兆半導體使用FL7701 PFC控制器的非隔離降壓LED驅動器（圖2）可以將BOM成本降低20％，并節省60％的電路板空間。它提供的PF》 0.9，效率為90％，THD更低。

圖2：飛兆半導體使用FL7701 PFC控制器的18 W非隔離降壓LED驅動器的參考設計消除了對任何電解電容的需求，從而提高了可靠性，節省了空間并降低了成本。 （由Fairchild Semiconductor提供）。

此外，在任何LED照明應用中，熱量都是一個巨大的挑戰。問題是來自負載的熱量 - 輸入LED的75％的功率是以熱量的形式出現 - 提高了電源周圍的環境溫度，因此任何可以提高效率的方法都可以更容易地產生更低的熱量。 Power Integrations的史密斯表示，由于對散熱或高溫元件的需求較少，因此成本驅動因素。

Power Integrations還指出，在比較隔離設計與非隔離設計的BOM時，減少了大約10個組件。飛兆半導體公司的照明專家Brian Johnson表示，功率損耗會導致散熱問題并提升元件周圍的溫升，而更高的溫度會降低元件的可靠性。 “在LED驅動器本身，您需要非常高效的設計。效率越高，驅動器耗散的功率越小。如果您在驅動器中浪費了功率，那將降低其整體功效數量?！?/p>

由于飛兆半導體的控制器經過功率因數校正，因此無需使用電解電容，這是最薄弱的元件之一，特別是當溫度升高時，約翰遜指出。

例如，飛兆半導體的FL7730MY PFC控制器可用于反激（隔離）或降壓 - 升壓（非隔離）配置，采用了該公司專有的初級側調節（PSR），稱為TRUECURRENT技術。 PFC消除了對電解大容量電容器的需求，而PSR消除了光耦合器的要求。這兩個組件被認為是高溫LED驅動器中最薄弱的部件，可能影響LED照明的可靠性。

設計師可能還想考慮調光支持，因為它已成為商業系統中不斷增長的功能。例如，飛兆半導體的許多PFC控制器，包括FL7730和FL7701，都提供了各種調光控制方法。例如，FL7730MY提供多種調光方法，包括TRIAC，PWM和0至10 V工作范圍。對于非調光應用，補充部分是FL7732，可用于反激式或降壓 - 升壓型拓撲結構。

但是，有一些權衡。在一個非隔離電源中，某些政府機構將要求電源轉換器周圍的材料符合更高的溫度標準，并且外殼具有更堅固的結構，史密斯說，并補充說這意味著材料的透射率稍微降低，因此它吸收更多光線，這意味著每單位輸入功率的流明會略微下降。

雖然這是設計人員最初關注的問題，但由于非隔離設計的效率更高，因此幾乎已經消除了這一點。 Smith估計非隔離驅動器的最高效率在10或12 W時約為93％，而使用單級轉換器的10或12 W隔離驅動器的效率約為88％。使用20 W轉換器，效率提高了3％。

拓撲選擇

當輸入電壓高于輸出電壓時，降壓轉換器將能量從輸入傳輸到電源輸出。它具有最高的效率，良好的THD和最低的元件數，但輸出電壓存在限制。一條經驗法則是使用20 W或更低的降壓轉換器，并在20到30 W時進行反激或降壓 - 增強。約翰遜表示T8設計的實際限制約為30 W（圖3和圖4）。

圖3：Power Integrations的20W輸出，非隔離降壓LED驅動器在整個電壓范圍內顯示約90％的效率。 （由Power Integrations提供）。

圖4：Power Integrations的20 W輸出，非隔離降壓LED驅動器提供15％的THD。 （由Power Integrations提供）。雖然設計人員通?？梢酝ㄟ^降壓拓撲獲得最高效的設計，但隔離式反激設計的一個顯著優勢是其寬輸出電壓。設計人員也可以使用降壓 - 升壓拓撲，因為它可以在很寬的電壓范圍內工作，但輸入電壓與輸出電壓的比率有限，因為它使用非隔離轉換器。

在這里，重要的問題是客戶串聯串聯多少個LED，因為這將決定LED上必須放置的電壓。例如，根據約翰遜的說法，如果有20個串聯LED并且每個LED具有3伏特的壓降，則LED驅動器上至少需要60V輸出才能成功驅動這些LED。 “在反激式電路中很容易做到60伏特，但是在降壓方面，它正在推動這一范圍，”他說。

與反激式轉換器類似，如果輸入電壓高于或低于輸出電壓，則降壓 - 升壓可提供功率，這意味著它具有高壓輸出的優勢。它還具有高效率，低元件數和低THD。然而，它在輸入與輸出電壓的比率方面確實存在限制。

在這種情況下，Power Integrations的Smith推薦使用抽頭降壓轉換器，在非隔離設計中需要高電壓降壓。他說它仍然提供高效率和低元件數，但它需要一些額外的組件。

為非隔離，不可調光10 W，低線設計選擇LED驅動器拓撲時，Power Integrations提供了一些通用性能指南。降壓配置提供91％的效率，良好的THD和低成本，但提供有限的輸出電壓。降壓 - 升壓提供90％的效率，最佳的THD，以及具有高壓輸出的低成本。抽頭降壓提供89％的效率，最佳的THD和低成本，不受電壓限制。