通过单级PFC降压LED驱动器简化T8荧光灯的更换设计

照明工程师可利用单级，非隔离，功率因数校正（PFC）降压LED驱动器简化LED管8（T8）荧光灯更换设计，可减少元件数量，节省空间并降低成本。这种设计可以取代通常需要大型无源元件的更昂贵的两级拓扑，使其难以适应有限的管空间。

许多设计师主要出于安全考虑而使用隔离方法。在这些情况下，选择的拓扑结构是具有初级侧反馈或调节的反激式配置。但随着越来越多的照明设计师询问如何使用具有成本效益的LED设计T8灯管灯具，由于其更高的效率和更少的元件使用，已经从隔离LED驱动器转向非隔离LED驱动器。

设计人员通常可以通过单级非隔离PFC降压拓扑获得最高效的设计，从而消除了光隔离器和大型铝电解输入大容量电容器。这实现了三件事：它可以延长使用寿命，减少元件数量并降低成本。它还可以更容易地安装在T8印刷电路板（PCB）中。

有几种拓扑结构 - 降压，降压 - 升压和抽头降压 - 可用于T8灯管设计的单级PFC，非隔离LED驱动器。他们都有自己的优势和权衡。通常，这些方法具有高效率，高功率因数（PF），良好的总谐波失真（THD）和低元件数，从而转化为成本更低的解决方案。

在将数字放入这些规范方面，能源之星要求在商业应用中要求PF至少为0.9，尽管许多设计师正在寻找0.95或0.99。 THD（EN 61000-3-2描述了照明系统工业/商业功率因数允许的谐波含量）通常必须低于30％，尽管在许多情况下设计人员寻求的比例不到20％甚至15％。

效率是另一个重要的规范。由于没有效率标准，这往往成为LED驱动器制造商的竞争战场。实现高效率至关重要，因为它直接影响发光效率。效率越高，所需的散热越少。 Power Integrations的产品营销经理安德鲁·史密斯表示，这意味着驱动器更便宜，而且使用更小的PCB，成本更低。

作为使用降压配置的高效驱动器的示例，Power Integrations为使用LNK460KG控制器的T8 LED灯管提供了一个20 W非隔离式高压降压LED驱动器的参考设计（图1）。该设计提供超过90％的效率，高PF超过0.9，低THD低于15％。总物料清单（BOM）为29个零件。这是一种单级，组合PFC和恒流（CC）输出设计，不需要电解初级大容量电容，有助于延长驱动器的使用寿命。高线设计意味着它可以处理比低线路降压转换器更高的输出电压。

图1：Power Integrations LinkSwitchPL（U1）LNK460KG开关器件采用20 W非隔离降压LED驱动器，可在单次转换中控制功率因数和输出电流，从而实现高效率和非常好的功率因数。 （由Power Integrations提供）。

LNK460KG控制器还可用于低压非隔离PFC LED驱动器，采用降压 - 升压配置，用于T8 LED灯。效率评级大于87％，PF为0.98，THD小于10％。 24个零件的总BOM数量和驱动器的小尺寸（《8 mm高和15 mm宽）使得安装在T8管内更加简单。

为了解释为什么单级非隔离PFC降压拓扑是T8管灯LED驱动器的最佳方法，我们现在将解决为什么非隔离设计更便宜，以及不同拓扑结构的优势和权衡。

为什么非隔离便宜？

LED驱动器中最大的成本因素之一是磁性元件。隔离设计需要满足4½kV的电气隔离击穿能力，需要变压器和相关组件。在非隔离设计中，变压器被传统的低成本电感器取代。它还消除了对光隔离器的需求或简化了反馈组件。

非隔离LED驱动器的主要优点之一是提高效率。效率通常高于90％（约91％或92％），相比之下，10至20 W范围内的隔离式单级驱动器的效率约为85％至87％。更高效的电源将为LED提供更多功率，这意味着设计人员可以选择使用更少的LED或更便宜的LED来提供相同数量的总光输出。

例如，飞兆半导体使用FL7701 PFC控制器的非隔离降压LED驱动器（图2）可以将BOM成本降低20％，并节省60％的电路板空间。它提供的PF》 0.9，效率为90％，THD更低。

图2：飞兆半导体使用FL7701 PFC控制器的18 W非隔离降压LED驱动器的参考设计消除了对任何电解电容的需求，从而提高了可靠性，节省了空间并降低了成本。 （由Fairchild Semiconductor提供）。

此外，在任何LED照明应用中，热量都是一个巨大的挑战。问题是来自负载的热量 - 输入LED的75％的功率是以热量的形式出现 - 提高了电源周围的环境温度，因此任何可以提高效率的方法都可以更容易地产生更低的热量。 Power Integrations的史密斯表示，由于对散热或高温元件的需求较少，因此成本驱动因素。

Power Integrations还指出，在比较隔离设计与非隔离设计的BOM时，减少了大约10个组件。飞兆半导体公司的照明专家Brian Johnson表示，功率损耗会导致散热问题并提升元件周围的温升，而更高的温度会降低元件的可靠性。 “在LED驱动器本身，您需要非常高效的设计。效率越高，驱动器耗散的功率越小。如果您在驱动器中浪费了功率，那将降低其整体功效数量。”

由于飞兆半导体的控制器经过功率因数校正，因此无需使用电解电容，这是最薄弱的元件之一，特别是当温度升高时，约翰逊指出。

例如，飞兆半导体的FL7730MY PFC控制器可用于反激（隔离）或降压 - 升压（非隔离）配置，采用了该公司专有的初级侧调节（PSR），称为TRUECURRENT技术。 PFC消除了对电解大容量电容器的需求，而PSR消除了光耦合器的要求。这两个组件被认为是高温LED驱动器中最薄弱的部件，可能影响LED照明的可靠性。

设计师可能还想考虑调光支持，因为它已成为商业系统中不断增长的功能。例如，飞兆半导体的许多PFC控制器，包括FL7730和FL7701，都提供了各种调光控制方法。例如，FL7730MY提供多种调光方法，包括TRIAC，PWM和0至10 V工作范围。对于非调光应用，补充部分是FL7732，可用于反激式或降压 - 升压型拓扑结构。

但是，有一些权衡。在一个非隔离电源中，某些政府机构将要求电源转换器周围的材料符合更高的温度标准，并且外壳具有更坚固的结构，史密斯说，并补充说这意味着材料的透射率稍微降低，因此它吸收更多光线，这意味着每单位输入功率的流明会略微下降。

虽然这是设计人员最初关注的问题，但由于非隔离设计的效率更高，因此几乎已经消除了这一点。 Smith估计非隔离驱动器的最高效率在10或12 W时约为93％，而使用单级转换器的10或12 W隔离驱动器的效率约为88％。使用20 W转换器，效率提高了3％。

拓扑选择

当输入电压高于输出电压时，降压转换器将能量从输入传输到电源输出。它具有最高的效率，良好的THD和最低的元件数，但输出电压存在限制。一条经验法则是使用20 W或更低的降压转换器，并在20到30 W时进行反激或降压 - 增强。约翰逊表示T8设计的实际限制约为30 W（图3和图4）。

图3：Power Integrations的20W输出，非隔离降压LED驱动器在整个电压范围内显示约90％的效率。 （由Power Integrations提供）。

图4：Power Integrations的20 W输出，非隔离降压LED驱动器提供15％的THD。 （由Power Integrations提供）。虽然设计人员通常可以通过降压拓扑获得最高效的设计，但隔离式反激设计的一个显着优势是其宽输出电压。设计人员也可以使用降压 - 升压拓扑，因为它可以在很宽的电压范围内工作，但输入电压与输出电压的比率有限，因为它使用非隔离转换器。

在这里，重要的问题是客户串联串联多少个LED，因为这将决定LED上必须放置的电压。例如，根据约翰逊的说法，如果有20个串联LED并且每个LED具有3伏特的压降，则LED驱动器上至少需要60V输出才能成功驱动这些LED。 “在反激式电路中很容易做到60伏特，但是在降压方面，它正在推动这一范围，”他说。

与反激式转换器类似，如果输入电压高于或低于输出电压，则降压 - 升压可提供功率，这意味着它具有高压输出的优势。它还具有高效率，低元件数和低THD。然而，它在输入与输出电压的比率方面确实存在限制。

在这种情况下，Power Integrations的Smith推荐使用抽头降压转换器，在非隔离设计中需要高电压降压。他说它仍然提供高效率和低元件数，但它需要一些额外的组件。

为非隔离，不可调光10 W，低线设计选择LED驱动器拓扑时，Power Integrations提供了一些通用性能指南。降压配置提供91％的效率，良好的THD和低成本，但提供有限的输出电压。降压 - 升压提供90％的效率，最佳的THD，以及具有高压输出的低成本。抽头降压提供89％的效率，最佳的THD和低成本，不受电压限制。