盡管led在過去十年中已經有了顯著的改進，但是驅動技術并沒有跟上步伐，在某些方面，它是新應用的限制因素。尺寸是一個特殊的問題。大幅增加開關頻率有助于減小尺寸，但往往導致其他問題或代價高昂。北歐電力轉換器公司的首席執(zhí)行官米奇·麥德森解釋了他的公司如何克服這些障礙，并通過設計高頻率的LED驅動器使其變得可行。

傳統(tǒng)20 W驅動器的比較，其中無源器件構成大部分體積，開關頻率為100 kHz，而新型NPC技術為30 MHz

LED技術革新了照明市場的效率，外形，壽命和控制能力，并繼續(xù)提供新的解決方案。LED驅動在過去的十年里有了些許的改進和優(yōu)化，但是根本的問題仍然存在:自從1970年代引入開關電源以來，功率轉換技術基本上沒有改變。在尺寸、壽命和控制方面，LED已經超過了驅動它們的LED驅動。縮小這種差距的一種方法是大幅度提高開關頻率。這個想法并不新穎，但以一種商業(yè)可行的方式實現(xiàn)的可能性卻是。增加開關頻率的應用技術減少了無源儲能元件的尺寸。因此，它降低了尺寸、重量，從而降低了LED驅動程序的成本，同時提高了可靠性和壽命。

LED驅動器引起的LED系統(tǒng)限制

在過去的十年中，LED的功效已經提高了很多倍，并且價格也受到了相應的影響，并且還將繼續(xù)下去。功效的提高導致功耗降低，因此降低了對冷卻的需求。所有這些都導致更小的燈具具有更高的設計自由度和更低的成本。然而，提供和控制LED所需的LED驅動器沒有看到相同的重大改進。

首先，LED驅動器的尺寸和形狀因子由所需的部件設定，例如無源儲能元件（電感器和電容器）。其次，所需組件的有限壽命限制了LED驅動器的壽命和可靠性，導致它們成為LED系統(tǒng)故障的關鍵原因 - 并且通常早于用戶預期。第三，雖然LED驅動器的成本隨著數(shù)量的增加而減少，但進一步降低成本受到銅等傳統(tǒng)組件的原材料的限制。因此，LED驅動器需要新的創(chuàng)新以趕上LED的發(fā)展并滿足市場需求。

LED驅動器中無源元件的價值，尺寸和價格與開關頻率成反比，開關頻率的急劇增加將導致功率密度大大增加并降低成本。這個概念的好處是眾所周知的，同樣也是問題所在。如下所述，增加的開關頻率會導致嚴重的開關損耗，從而破壞硬開關開關電源（SMPS）的效率并導致系統(tǒng)故障。

傳統(tǒng)電源技術

第一款開關電源是在20世紀70年代早期開發(fā)的，從此成為電源和LED驅動器的市場標準。在40多年的研發(fā)中，電源的效率和功率密度得到了提高，從那時起，隨著技術的成熟和組件的優(yōu)化，電源的性能也得到了提升。然而，改善步伐大大減少。

對于大多數(shù)LED驅動器的功率水平，公布的一些最佳結果是效率約為95％，功率密度為0.88 W / cm3。這些結果是在具有受控環(huán)境且不關注成本的實驗室中實現(xiàn)的。對于商業(yè)產品，接受較低的效率和功率密度以降低成本。

大眾市場上一些最小的電源是Apple著名的方糖筆記本電腦充電器。60W版本的功率密度為0.59W / cm。（包括外殼和插頭），效率為90％。對于USB充電器，效率和功率密度較低，效率約為75％，功率密度約為0.31 W / cm3。同樣的趨勢適用于具有差異的LED驅動器，具體取決于功率水平，規(guī)格，性能和價格。在較低功率水平下效率和功率密度的下降部分是由于外殼，插頭，控制，啟動，保護和其他內務處理電路與功率水平無關，部分原因是與價格的權衡。隨著功率水平的提高，效率變得更加重要，通過提高效率，價格上漲通常更容易接受。

開關損耗會影響開關頻率

傳統(tǒng)的SMPS拓撲結構如降壓，升壓和反激是硬開關，這意味著電路板上的MOSFET半導體在其上有電壓和/或電流通過時會切換。結果是每次導通時MOSFET中的能量都會耗散。這被稱為開關損耗。在傳統(tǒng)的轉換器中，開關頻率被選擇作為效率（開關損耗），尺寸和成本之間的折衷。在大多數(shù)商業(yè)產品中，選擇50-400 kHz范圍內的開關頻率，因為這給出了公平的權衡。

該頻率范圍內的典型SMPS如圖1所示。這里可以清楚地看到，無源儲能元件，電容器和磁性元件構成了大部分體積。物料清單（BOM）的細分通常會導致無源和有源組件之間的分別為60％和40％。因此，通過減少無源元件可以實現(xiàn)顯著的尺寸和成本優(yōu)勢。由于這些元件的數(shù)值，尺寸和成本與開關頻率成反比，直接的方法是將開關頻率顯著提高到MHz范圍，甚至達到甚高頻（VHF）范圍（30） -300 MHz）。然而，將頻率簡單地增加到VHF范圍將使開關損耗增加近1,000倍。

為了避免開關損耗并且能夠在保持高效率的同時增加頻率，必須使用新的拓撲結構。利用諧振轉換器，可以實現(xiàn)零電壓開關（ZVS），從而可以避免由寄生開關電容引起的開關損耗。存在三組諧振轉換器：串聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振轉換器。

串聯(lián)諧振轉換器具有最高的效率和最低的復雜性，但在輸出調節(jié)方面存在基本挑戰(zhàn)，特別是對于輕載和空載情況。

并聯(lián)諧振轉換器具有更好的負載調節(jié)，但它們的諧振電流不隨輸出功率而變化。即使在輕負載時也會導致滿負載損耗，從而導致非常低的輕負載效率。

串并聯(lián)諧振轉換器具有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振元件。這些元件可以平衡，以獲得串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振拓撲的優(yōu)點，同時顯著降低其缺點。LLC轉換器是諧振轉換器最常用的拓撲結構。它可以設計為零電壓開關（ZVS），以減少開關損耗并提高頻率。LLC轉換器通常用于降壓應用，從幾百伏到幾十伏，通常功率范圍為400-4000瓦[1]。

自20世紀80年代以來，已經進行了研究，將諧振RF放大器（逆變器）與整流器結合用于DC / DC轉換器[2,3]。利用這些類型的轉換器，可以實現(xiàn)ZVS和/或零電流開關（ZCS）。在這種情況下，當跨越/通過它的電壓和/或電流為零時，MOSFET導通。從理論上講，如果切換是在瞬間和恰當?shù)臅r間完成的，那么這應該可以消除開關損耗。在實踐中，可以通過與理想情況的輕微偏差實現(xiàn)非常高的效率。

VHF諧振轉換器

在過去十年中，在VHF系列中運行的這類轉換器的重點和研究已經增加。進入這個頻率范圍可以大大減少對被動儲能和磁芯的需求。電解電容器可以用空心磁性元件和陶瓷電容器代替，從而最大限度地減小尺寸和價格，同時延長使用壽命[4,5]。

開關頻率在30到300 MHz之間，選擇拓撲時的主要問題是開關損耗。由寄生輸出電容引起的MOSFET開關損耗隨開關頻率線性增加，并成為這些頻率的主要損耗機制，如果拓撲結構沒有考慮到這一點。

圖2：E類轉換器的原理圖

圖3：DE類轉換器的示意圖

E類

大多數(shù)拓撲結構都來自E類逆變器，它利用了設計中開關的輸出電容，并確保在MOSFET導通之前電容完全放電。一些拓撲結構也可以實現(xiàn)零電流開關（ZCS）。這消除了由例如MOSFET封裝中的寄生電感引起的損耗。盡管在功率轉換器中通常不是很大的損耗機制，但這導致電壓的導數(shù)在開關實例（ZdVS或ZDS）處為零，因此是相關的。如果MOSFET沒有在正確的時間完全導通，它可以減少影響，因為它上面的電壓將在一段時間內接近零。

基本的E類轉換器是迄今為止最不復雜的拓撲結構，并且有很好的描述。在各個組件不會相互嚴重影響的情況下，可以使用簡單的設計流程。逆變器僅由一個MOSFET，兩個電感器和一個電容器組成。它非常適合具有低輸入電壓的應用，但對于具有高輸入電壓的應用（例如電源），電壓應力是開關上輸入電壓的3.5倍是這種拓撲結構的主要缺點。如果設計為在最佳情況下工作，則電感器對于限制瞬態(tài)響應和功率密度的任何拓撲結構而言是最大的。然而，逆變器可以設計成在較小的標稱情況下操作，具有較小的電感器和較快的瞬態(tài)響應。

SEPIC轉換器可以看作E級轉換器的略微修改版本，原理圖中唯一的區(qū)別是諧振回路中的電感器被移除。這不僅減少了電感器的數(shù)量，而且其余兩個電感器也將小于E級（如果設計為接近最佳值）。然而，SEPIC的設計更復雜，因為逆變器和整流器不能單獨設計，因此所有部件相互影響。因此，使用SEPIC可以在效率，瞬態(tài)響應，尺寸和成本方面實現(xiàn)更好的性能，但設計更復雜。

類φ2

類φ2逆變器也是E級的改進型，唯一的區(qū)別是增加了LC電路，通過使其更加梯形來降低MOSFET兩端的電壓。雖然這是降低電壓應力的好方法，但陡峭的電壓曲線需要更大的電流，使損耗大于E類逆變器。雖然它有2個額外的元件，但與E類逆變器相比，物理尺寸可以或多或少與電感器相同。由于較高的諧振電流，總損耗大于E類逆變器。如果可以從另一類MOSFET中進行選擇，例如100 V器件而不是150 V器件，那么這可能是可以接受的，但如果不是這樣的話。E級或SEPIC是更好的選擇。

DE

類DE逆變器是由與E類逆變器相同數(shù)量的元件組成的半橋逆變器;只有最大的電感被開關取代。因此，該拓撲僅具有一個電感器，其同時小于其他拓撲中的任何電感器。MOSFET上的峰值電壓是迄今為止在任何逆變器中看到的最低電壓，電流也是最低的。

類φ2逆變器是單開關逆變具有最低電壓應力。該拓撲結構的電壓應力約為輸入電壓的2.5倍，是DE的2.5倍。這導致MOSFET的輸出電容中存儲的能量超過6倍。這是為了獲得ZVS而需要共振的最小能量。對于具有高輸入電壓的低功率應用（例如電源連接的SELV LED驅動器），這因此設定諧振電流的量。此外類φ2具體地，甚至具有更多的諧振電流，由于3次引入諧波以降低峰值電壓。避免開關損耗并同時保持低諧振電流是實現(xiàn)高效率的關鍵[6]。因此，DE類逆變器是具有實現(xiàn)最高效率的基本潛力的拓撲。

因此，如果可以設計有效的高側柵極驅動，則DE逆變器優(yōu)于所有單開關拓撲。

圖4：20 W驅動器與開關頻率100 kHz和30 MHz的比較

圖5：20 W驅動器在30 MHz下工作的效率曲線

VHF的技術優(yōu)勢

移動到更高頻率有幾個好處;其主要優(yōu)點是小型化，可靠性/壽命和調光效率。

小型化

圖1示出了無源能量存儲元件構成SMPS的大部分體積。作為粗略平均值，這些組件構成體積的95％，有源組件與電阻器等一起構成剩余的5％。盡管開關頻率的增加并未反映出尺寸減小的一對一，但將頻率從100 kHz增加到30 MHz將減少大約10倍。因此，整體SMPS將減少至原始體積的約15％。如圖4所示，其中以100 kHz工作的傳統(tǒng)20 W LED驅動器與以30 MHz工作的20 W LED驅動器進行比較。

可靠性

LED系統(tǒng)故障的很大一部分是由LED驅動器引起的;一些人聲稱占絕大多數(shù)。在大多數(shù)情況下，這是由于電解電容器，因為它們的壽命隨溫度大大降低，其中的液體蒸發(fā)。VHF對電容的需求減少消除（或顯著降低）對電解電容器的需求，從而限制了這種故障原因。

此外，對能量存儲的需求減少導致空心磁芯成為有芯磁性的可行替代方案。向空心磁場的轉變需要頻率的顯著跳躍，因為沒有核心可以實現(xiàn)更小的每體積電感。如果頻率增加到VHF范圍，則空心和PCB嵌入式磁性元件成為可行的解決方案，因為這些頻率所需的電感可以在較小的物理尺寸下進行，并且可以避免磁芯損耗[7]。這不僅顯著降低了BOM，而且還提高了LED驅動器的堅固性和機械穩(wěn)定性，因為磁性元件具有最高的物理質量并且對高溫敏感。

高調光效率

另一個強大的好處是提高調光效率。由于非常高的開關頻率，可以在調光時調制整個轉換器，而不會引起可見的閃爍。通過這種方式，轉換器可以在最佳條件下開啟并在最高效率下運行，也可以在低損耗下運行。這樣可以實現(xiàn)非常平坦的效率曲線。這可以用于在特定燈具中實現(xiàn)更高的調光效率，或者在更廣泛的燈具組中使用給定的驅動器，同時實現(xiàn)所有的高效率。

圖5顯示了在30 MHz下工作的圖示20 W室內驅動器的調光效率。

VHF LED驅動器

VHF功率轉換器的優(yōu)勢突破了功率轉換器的界限。然而，對傳統(tǒng)轉換器所做的權衡仍然是相關的，因為如果放寬其他參數(shù)的規(guī)格，仍然可以進一步改進一些參數(shù)。主要優(yōu)化參數(shù)通常是尺寸，效率，可靠性，成本和性能。特定的驅動程序設計可以使用VHF的所有優(yōu)點來改進一個或兩個參數(shù)，或者將改進擴展到所有參數(shù)，如圖6中的蜘蛛網所示。

在本節(jié)中，將介紹VHF LED驅動器的兩個示例。這些驅動器均基于DE級轉換器，主要針對尺寸（室內）或可靠性（室外）進行了優(yōu)化。

緊湊型室內驅動

器圖4所示的20 W驅動器針對室內燈具進行了優(yōu)化，具有纖薄的外形，緊湊的外形，低成本和高調光效率。調光至10％時，效率僅下降5％。

該驅動器的總體高度僅為6 mm。電解電容略高，但可以通過將其分成兩個更薄的版本或在PCB中切割來減少。另一種選擇是用陶瓷電容器替換電解電容器，如圖8所示。這增加了成本，但延長了使用壽命并降低了高度。

可靠的戶外駕駛員

戶外照明的要求與室內照明不同。雖然尺寸仍然相關，但由于更換故障驅動器的成本，壽命和可靠性是關鍵參數(shù)。圖10中的60 W驅動器針對此應用進行了優(yōu)化。

該驅動器不含電解質，結合良好的電氣和熱設計，確保在75度TC時的使用壽命超過120,000小時。此外，它還具有8 kV / 4 kA共模和10 kV / 5kA差模的內置浪涌保護，以確保高可靠性和長壽命。驅動程序完全可編程，并具有所有標準控制接口。該驅動器外形纖薄，僅25 mm，體積約為傳統(tǒng)SMPS最接近解決方案的一半。

圖6：權衡參數(shù)

圖7：不帶電解的緊湊型20 W LED驅動器

圖8：無電解60 W LED驅動器

結論

在尺寸和可靠性方面，LED驅動器已成為LED照明的主要瓶頸之一。VHF LED驅動器背后的技術為LED照明提供了基本優(yōu)勢，具有更小的外形，更高的可靠性和更高的調光曲線效率。可以調整給定駕駛員的設計以關注與給定照明應用相關的益處。

隨著傳統(tǒng)電源解決方案的發(fā)展停滯不前以及由于LED的改進不斷提高的需求，下一代LED照明需要新的技術和解決方案。通過將射頻工業(yè)的電路與電力電子的設計方法結合起來，可以設計新的VHF SMPS拓撲，有效地避免開關損耗。在此基礎上，減少了被動儲能元件的需求，使笨重的磁性元件和溫度敏感的電解電容器得以去除。