摘要
全球對實現低功耗和高效率技術的關注不斷持續，由於照明應用佔了全球近 20% 的電力資源消耗量，所以照明技術的進步，會對能源狀況產生巨大的影響。LED 固態照明 (solid state lighting, SSL) 是一種環保技術，具有出色的外形尺寸，使用壽命長，轉換效率高，而且功耗相比傳統的白熾燈泡低 80% 或 90%。在 LED SSL 中，LED 驅動器扮演著重要的角色，因為要靠它來提供保持穩定亮度所需的準確電流。不過，傳統的 LED 驅動器方案採用次級回饋電路來驅動 LED 的電壓和電流，而次級回饋電路會導致成本和尺寸的增加。本文將介紹一種「初級側調節」 (Primary Side Regulation, PSR) 專利技術。這種 PSR 控制器無需次級側回饋電路，即能夠精確調節變壓器初級側中 LED 驅動器的電壓和電流。它同時包括了頻率抖動功能來降低EMI，以及輕載待機模式來減小待機損耗。利用該方案，PSR 充電器可以實現比振鈴扼流圈轉換器 (Ringing Choke Converter，RCC) 和傳統 PWM 等傳統設計更小的外形尺寸、更低的待機功耗和更高的效率。

LED照明概述
由於能源需求失衡、能源成本增加，加上全球對環境問題的關注，節能綠色技術變得越來越重要。照明應用的能量損耗可高達 20%，因此利用創新性技術來降低能源浪費，對節能具有重大的影響。能效規範在全球各地區日益普及，例如，美國有能源之星(ENERGY STAR®)，而且澳洲、歐盟和美國加州也都宣佈將逐步淘汰傳統照明解決方案。

發光二極體 (LED) 實際上與整流二極體一樣，都具有單嚮導電性。不同於傳統照明技術，SSL LED 是利用半導體來把電能轉換為光能。LED 照明相對傳統技術的優勢如下：
1. LED 由 DC 電壓驅動，即使在低電壓低電流條件下也能保持高亮度。在相同的照明應用中，相比其它照明方案，LED 可以節能達 80%。高亮度 LED 的壽命可能長達 60,000 ~ 100,000 個小時；而白熾燈泡只有 1,000 個小時。此外，LED 的反應速度很快 (100ns ~ 1ns)。
2. LED 的單色性良好，常用顏色包括紅、綠、黃和橙色。其顏色可藉著改變電流來改變，而且不同於傳統冷陰極螢光燈管 (CCFL)，LED 不含光譜中的紫外線和紅外線輻射，而有害汞金屬元素含量也較少，有利於環保。
3.  LED 尺寸小、抗振動、衝擊阻力大，另外還可以在燈泡中製備成各種形狀。

與 LED、螺旋節能燈泡和 T5 螢光燈相比，白熾燈泡的照明效率只有 12lm/W，壽命少於 2,000小時；螺旋節能燈泡的照明效率為 60lm/W，壽命約 8,000 小時；而T5 燈泡的的照明效率則為96lm/W，壽命約10,000個小時。5mm 白色 LED 的照明效率為20 ~ 28lm/W，壽命約 100,000小時。顯然，較之傳統照明應用產品，LED 的使用壽命更長，且特性也更具吸引力。高亮度發光二極體 (High-Brightness Light Emitting Diode, HBLED) 是一種大功率高亮度的 LED，其壽命更長、尺寸更小，而且設計靈活，已成為傳統白熾燈泡和鹵素燈的替代產品。HBLED 一般用於以下應用：
1. 螢幕顯示和交通燈：各種看板、體育記分板和交通訊號。
2. 車用照明燈：儀表板指示器、音訊和外置式 LED 剎車燈、尾燈、邊燈等。
3. 背光：手機、數位相機和筆記型電腦背光。
4. 景觀照明、建築照明、裝飾燈、街燈和住宅照明。

HBLED 作為一種新型的 LED 照明源綠色產品，必將成為未來發展的新趨勢。

採用初級側調節控制器的高亮度LED驅動器
如上所述，LED 照明擁有諸多優勢，但若沒有適當的電壓和準確的電流，這些器件的壽命不僅會縮短，其功耗和熱耗也會增加，最終對 LED 造成無法挽回的損害。考慮到 LED 與普通二極體在物理特性方面一樣擁有斜率很大的 V-I 曲線，因而 LED 的工作電壓對工作電流相當敏感，若變化很大，便會影響 HB-LED 單元的壽命。因此，LED 的電流對照明非常重要。在這種情況下，對 HB-LED 的壽命而言，帶有出色的恆流技術的 PSR 就顯得既重要又有益。LED 驅動器一般採用非隔離降壓轉換器或隔離反激式 (flyback) 轉換器。

在傳統的 LED 控制電路中，離線恆定輸出電流 LED 驅動器可使用隔離反激式轉換器配合次級側電路調節輸出電流來實現，如圖1所示。這裡，LED電流通過次級側的一個感測電阻 Ro 來測量，並借助光耦合器提供必須的回饋資訊。光耦合器在初級側和次級側之間形成隔離，並把反饋訊號耦合到初級側的 PWM 控制器。為了達到更好的輸出調節，PWM 控制器利用光耦合器接收次級側的反饋訊號，以決定 MOSFET 的佔空比。這種方案可提供準確的電流控制，但缺點是器件數目較多，意味著需要更大的電路板空間、更高的成本，而且可靠性也較低。同時，感測電阻 RO 還會增加功耗，降低恆流調節電源效率。近來，LED 驅動器的效率和節能要求變得越來越重要，同時 LED 應用也需要更小的尺寸，因此傳統電路不再滿足相關要求。本文將介紹一種能夠減少器件數目並提高效率的初級側控制方法。

圖1  採用傳統次級側調節反激式轉換器的 LED 驅動器

初級側調節 (PSR) 技術是把離線 LED 驅動器的成本降至最低的最佳解決方案，它無需在次級側使用光耦合器，就能夠提供準確的電流控制。PSR的基本原理是採用一種創新性方法，利用輔助線圈取代次級側的光耦合器來檢測輸出資訊，如圖2所示。圖2所示為一個採用初級側控制器的反激式轉換器的基本電路示意圖及其主要工作波形。

圖2 採用初級側控制器的反激式轉換器的基本電路示意圖及其波形

當 PSR 控制器導通 MOSFET 時，變壓器電流 iP 將線性地從零增加到 ipk，如算式 (1)。 在導通期間，能量儲存在變壓器中。當 MOSFET 關斷時 (toff)，儲存在變壓器中的能量借助輸出整流器傳送到功率轉換器的輸出端。在此期間，輸出電壓 VO 和二極體的正向電壓 VF 被反射到輔助線圈 NAUX，輔助線圈 NAUX  上的電壓可由算式 (2) 表示。這時可運用一種專有的取樣技術來對反射電壓進行取樣，由於輸出整流器的正向電壓變得恆定，故可獲得相關輸出電壓資訊。然後，取樣得到的電壓與準確的參考電壓進行比較，形成一個電壓回路，從而確定 MOSFET 的導通時間，並準確調節恆定輸出電壓。

在這算式中，LP 為變壓器初級線圈的電感；VIN 為變壓器的輸入電壓； ton 是MOSFET 的導通時間；NAUX/NS 為輔助線圈與次級輸出線圈的匝數比；VO 是輸出電壓；VF 是輸出整流器的正向電壓。

這種採樣方案也使得變壓器的放電時間 (tdis) 加倍，如圖2所示，輸出電流 IO 與變壓器的次級側電流有關。IO 還可利用 ipk、tdis 求得，如算式 (3) 所示。PSR 控制器利用這個結果來確定 MOSFET 的導通時間，並調節恆定輸出電流。Sense電阻 RSENSE 用來調節輸出電流的數值。

這裡，tS 是 PSR 控制器的開關週期；NP/NS 是初級線圈和次級輸出線圈的匝數比；RSENSE 為感測電阻，把變壓器的開關電流轉換為電壓 VCS 。

利用 PSR 控制器實現 HB LED 驅動器
這裡使用了一個 HB LED 驅動器來驅動三個串聯HB LED ，輸出規格為12V/0.35A。若採用整合了一個 PSR控制器和一個 600V/1A MOSFET 的PSR 控制器 FSEZ1016A，將有助於減少外部元件數目，減小 PCB面積，降低功耗和 MOSFET 驅動器電路上的訊號雜訊，還能夠減少干擾。而專有的綠色模式功能可在輕載和無載條件下提供非導通時間調製，來線性降低 PWM 頻率，使待機功耗最小化，從而輕鬆滿足大多數綠色規範的要求。此外，其內置抖頻功能也進一步提高了EMI性能。

實驗顯示，採用這種方法，恆流 (CC) 調節精度可達 1.8% ，折回 (fold-back) 電壓為4V (如圖3所示)，適用於很大的VDD範圍，而且CC能力與輸出電壓有關。115Vac 輸入時效率為77.66%，230Vac輸入時效率為77.40% ，空載時最大功率為0.115W。由此可見，利用FSEZ1016A便可以獲得一個外部元件最少、成本最低的照明解決方案。

圖3  使用PSR控制器的V-I曲線

總結
隨著產業界對高能效電子產品開發投入更多，照明應用需要創新性技術來取代傳統白熾燈泡和鹵素燈。HBLED 的優勢在於尺寸小、亮度高、壽命長，而且環保。這些優勢都是推動該產品逐漸取代傳統照明產品的有利因素。為了提高 HBLED 的能力，控制電路必須利用恆流來實現 LED 驅動。本文介紹的「初級側調節」 (PSR) 專利技術，只須利用 PSR 控制器，就能夠準確調節變壓器初級側中 LED 驅動器的電壓和電流，無需次級側反饋電路，從而實現尺寸更小、壽命更長和更環保的產品。實驗顯示 PSR 能夠提供 1.8% 的恆流 (CC) 調節準確度，在 115Vac 輸入時效率為 77.66%，230Vac 輸入時效率為77.40%，空載時最大功率為 0.115W。這種 PSR技術是把離線 LED 驅動器成本降低的最佳解決方案。

BY Peter Hsieh、Leon Lee 及 Kevin Hsueh , Fairchild Semiconductor(快捷半導體)