TI高效率LED照明驱动电源芯片技术

针对LED光源照明应用，多数灯具开发厂商最苦恼的问题在于，大多是因为对于驱动电路、控制调光设计经验不足，从选择解决方案到后段导入开发时程, 投入过多时间调校与集成。而德州仪器自购并美国国家半导体后，集成双方于LED照明应用研发资源，推出全系列应用解决方案，以全面性的解决方案与完善的参考设计提供研发人员最佳的技术支持...


德州仪器针对LED照明应用提供的解决方案相当丰富与齐全，其实TI早在2008年即着手进行LED照明应用方案研究，加上2011购并美国国家半导体后，具充沛的集成资源来进行研究、发展LED光源照明应用领域，针对LED照明产业，德州仪器观察LED照明应用市场将有以三个阶段进行发展。

LED照明应用三大发展阶段 产品设计目的不同

德州仪器针对LED照明产品市场分析，大多可以从三个发展阶段来进行讨论，第一阶段为做出可直接替换传统照明灯具的产品项目，主要产品方向为取代既有白炽灯的市场，由于世界各国陆续限制传统白炽灯的生产，也为推动LED照明的一大助力。就于设计LED照明的挑战，多着重在提升电源模块的效率、优化成本与更长的使用寿命等。

在LED照明技术发展第二阶段，智能型照明应用系统 (Intelligent Lighting System)为主，例如，以德州仪器 MCU为主要核心搭配ZigBee PLC等通讯接口来增加LED照明系统应用的附加价值。最后在第三阶段则会着重在提升LED颗粒的寿命、光色、演色性的改进等等。

德州仪器针对LED照明应用，主要着重于三大关键市场应用方向并提供相对应的解决方案。第一个为室内照明(Indoor Lighting)，第二个为户外照明(Outdoor Lighting)，第三个为车用照明(Automotive lighting)。

由于多数投入LED光源照明产品的制造业者，大多数没有LED电源模块设计的开发经验与工程团队，所以在电源模块开发过程, 非常耗时。为了能够提供最佳的解决方案与技术支持，德州仪器已针对LED照明应用需求，提供给客户不仅是芯片，而是完整应用的解决方案，甚至恼人的EMI/EMC课题，也都替客户预先考虑于实际设计线路上，大大缩短了客户产品开发时程与产品的稳定性。

总括德州仪器于LED照明解决方案的产品技术支持，可从交流转直流转换器、直流转直流转换器、微控制器与周边通讯接口的应用，强化了LED照明系统的集成性与可靠性。并且针对于相对应的电源芯片与参考设计方案，皆有提供在线设计软件 (Webench)来协助客户增加开发过程中对产品技术的掌握度，减少开发费用的浪费的可能性。

针对非调光AC/DC应用的解决方案

由于照明法规规定，大于5W的LED光源照明应用产品，其功率因素都要大于0.9，因应此趋势，德州仪器也提供单级主动功因校正的解决方案，且针对小功率且不需要功因校正的产品，亦推出缘边反馈(Primary Side Regulation)的控制器TPS92315，其优点为相较于传统的负边反馈控制(Secondary Side Regulation)，可减少设计电路上的元件数，并且能达到输出LED恒流的要求，更容易设计于空间有限制的灯具内。

针对需要功因校正的非调光产品需求，德州仪器提出TPS92310、TPS92311系列产品，此为集成缘边反馈技术且具备单级主动功因校正功能的应用解决方案。TPS92311与TPS92310不同的是，由于灯头体积方面的限制，多数客户希望原设置于返驰式拓墣外部的MOSFET元件也能进行集成，而TPS92311即是集成高压MOSFET于IC的方案。在LED照明应用方面，因为灯头可用体积相当有限，因此如何兼顾缩小电路体积与提高效率，则为设计工程人员的一大挑战。在灯头内空间限制下，传统负边回授改到缘边回授的设计方式，可省下二次侧的回授电路PCB空间，使用元件也相对少。

至于TPS92310/11产品系列的特点在于，可同时提供Constant On-Time Mode与Peak Current Mode两种操作模式。Constant On-Time Mode可提供单级主动功因校正基于返驰式拓墣的结构的功能；而Peak Current Mode则可在相同输出功率条件下，最佳化变压器利用率，缩小设计电路的体积。

基于此模式调整，TPS92310/11可同时支持隔离与非隔离型返驰式拓墣设计弹性。同时其集成线路异常保护功能，不需外加额外的过电压/过电流保护线路，进而精简线路的设计。此外，TPS92310/11也藉由QR切换操作方式，降低开关的切换损失，提高电源模块的效率。一般在实际应用时，检视灯具的能效，是以lm/w为指标，也就是说若驱动芯片可提供更高效率的解决方案，灯具的能效自然可以相对会大幅提高。

针对TPS92310，德州仪器另提供六个参考设计，包含18W T8、22W T8...等产品设计，均为与实际客户合作下的先期开发产品方案，藉由客户产品机构定义的参考设计，包含EMI和相关安规要求，德州仪器解决方案均已经通过相关要求，可帮助客户加速产品开发时程。

针对调光产品的防闪烁应用设计

在调光解决方案方面，TI已针对调光应用已提供完善解决方案，而LED调光方案的设计目的多数是为了要取代传统室内白炽灯应用，但原本室内既有配置的TRIAC调光器均为针对60W、甚至100W白炽灯应用设计，但转换到LED节能灯设备，相对所要驱动的电流大大的缩小，这时电源驱动模块设计方案就必须考量维持调光器最小的保持电流，不要有电流不连续的现象而造成LED灯源闪烁问题。

在TI LM3445可调光解决方案中，集成调光器角度解码电路，驱动假性负载，维持调光器最低保持电流，改善灯具闪烁问题。而3445在实际使用上遇到客户反馈，希望把外设高压MOSFET元件集成到方案中，因此TI推出LM3448产品，其集成高压MOSFET进ㄧ步缩小电源模块体积。

而在LM3447趋势为用PSR缘边反馈的设计方式，搭配QR操作模式提高电源模块效率。因为采行Valley Switching方式，因此EMI表现会较好，在Dimmer Detect方面，LM3447在有Dimmer动作时才加载提高保持电流，减少功率损耗，提升效率。

MR16产品的解决方案

在MR16的解决方案方面，过往设计MR16产品时，有些客户MR16要同时搭配TRIAC调光器与电子式变压器，设计难度更高，其实MR16比球泡灯更复杂，针对MR16应用TI提供多种方案，基本上，由于Boost Type 架构其输入电流可维持连续状态，相较于Buck Type可避免LED灯源闪烁现象。

一般来说，其架构的选用，已依据15V来作界线，倘若输出的电压大于15V，则采用Boost架构，反之小于15V采用Buck 架构。以目前产品种类上，德州仪器提供Buck结构的LM3401、LM3409、LM3414解决方案，亦有提供LM3492、LM3444采Boost设计架构的解决方案，客户可视MR16输出灯的电压数来决定相对应的解决方案。

DC-DC在路灯产品的解决方案

此外，并非做LED灯具厂商都有能力做电源设计，TI顾虑到市场各客户的需求，推出TPS92550/1两种电源模块解决方案，集成了切换式非隔离降压型DC-DC模块方案，其主要应用产品可于路灯、台灯与平面灯源，可节省大量的开发时间。

RGB LED 情境照明

高亮度 LED 灯在照明方面的运用范围愈来愈广。本文说明简单的「情境照明灯」，这种照明设备仅采用几种组件。三个 LED 灯均采用切换式稳压器来供应恒定电流，并以 MSP430 微控制器所产生三组 PWM 讯号来调控亮度，。印刷电路板可装设于雾面玻璃台灯内，亦可用于间接照明的 LED 聚光灯。

不论 LED 灯的功率为何，现在通常都以恒定电流为电源，原因在于 LED 灯以流明 (lm) 为单位的光输出功率会与电流呈正比。

因此，所有 LED 制造商均指定灯光输出（有时称为光效率）、视角和波长等参数，作为顺向电流 IF 的函数，而非所谓顺向电压 VF 的函数。于是，我们也在电路中采用适合的恒定电流稳压器。


高亮度 LED 灯的恒定电流

市面上多数切换式稳压器均设计为恒定电压来源，而非恒定电流来源。只须以简单易懂的方式将电路略为修改，即可将恒定电压稳压器改为恒定电流的运作方式。我们并未采用常见的电压分配器来设定输出电压，而是以电流侦测电阻调节电压降幅

针对led 路灯的高效率电源驱动器的AC/DC 部分。电路采用了零电压开通技术降低了一次侧Mos 管的开关损耗。本文还提出了一种可用于高输出电压情况下的混合型同步整流方案并对其工作原理和工作过程进行了较为详细的分析， 并就如何减小变压器的损耗提出了一些看法