高功率LED 的问世加速了LED 在照明产业的普及，同时也带来了新的挑战。LED 的使用寿命及电源转换效率
成为设计LED 照明系统时的主要考虑因素，同时必须提供恒流(constant current)以维持LED 色彩与亮度的一
致性。因此，设计良好的LED 驱动器必须能提供精确的电流输出且不受输入电压及输出负载变化影响，且同时
兼顾能源转换效率及输出涟波等影响使用寿命的特性。磁滞型脉冲频率调变技术(Hysteretic PFM, HPFM)可以
大幅提升系统在低负载或高负载时的电源转换效率。本文将探讨如何利用恒流LED 驱动器设计出具有高效率、
高稳定性且兼具高信赖性的LED 照明系统--提高led灯管效能。
定电压 vs. 恒流驱动模式
一般而言，LED 的输出亮度与流经LED 的顺向电流约略成正比，使用定电压或恒流驱动器皆可达到点亮LED
的目的。图1 为最简单的定电压LED驱动器，LED电流是由与LED串联的电阻R1-Rn与LED的顺向偏压(forward
voltage, VF)所决定。例如，输入电压为5V，LED 顺向偏压为3.6V，如果要设计LED 电流为20mA，所要使用
的镇流电阻经计算为70Ω。虽然这种镇流器架构非常简单，但是若VIN 变动则LED 输出亮度也必然会随之改变；
同时量产品的LED 顺向偏压不一致也会对每一串LED 的输出亮度产生影响。在镇流电阻上的功率损耗也会造
成过热及低效率的问题，特别是在输入电压与LED 输出电压相差极大时效率会越形低落。
图1 定电压LED 驱动器
另一个常用的LED 驱动器为如图2 所示的恒流模式驱动器。在图2 中，LED 的电流是由线性稳压器所提供，
其电流可由R1 电阻设定。与定电压模式驱动器比较，恒流模式驱动器藉由控制检流电阻R1 两端跨压可以直接
控制流经LED 的电流，在这种设计架构下，LED 输出电流只与R1 的精确度相关，不受输入电压变化或是LED
顺向偏压不一致影响。但是如果输入电压与LED 输出电压之间压差过大的话，还是会在驱动器上产生过热的问
题。
高性价比之LED 照明驱动设计--提高led灯管效能
图2 恒流LED 驱动器
磁滞型脉冲频率调变
MBI6661 的磁滞型脉冲频率调变控制方式可以在轻载应用下有效提升系统的效率。图3 为MBI6661 的应用电
路，而图4 为磁滞型脉冲频率调变方式的波型示意图。图3 中RSEN 电阻两端的直流压降定义为VSEN，MBI6661
的输出电流即是由此电压及电阻而定(MBI6661 中VSEN=100mV)。图4 中的VH 为MBI6661 内部的高位准参考
电压，其值为VSEN 电压的1.15 倍，而VL 为VSEN 的0.85 倍。磁滞调变的原理为当电源打开时，因为此时LED
电流为零使VSEN 必然低于VH，因此MBI6661 内建的MOSFET 导通对电感充电，此时电感电流增加连带使RSEN
两端电压VSEN 随之增加。当VSEN 等于VH 时，内建的MOSFET 会被关闭，此时电感电流会透过飞轮二极管(D1)
放电而下降，因而使VSEN 电压随之下降。而当VSEN 电压等于VL 时，内建的MOSFET 又会再次导通并重复之
前的动作。由于磁滞型脉冲频率调变的特性，电感电流会一直维持在连续导通模式(CCM)，这对降低LED 输出
涟波电流有很大的帮助。
磁滞型脉冲频率调变控制方式的切换频率会随着负载电流而变化，电流越大频率越低。在相同的负载条件下，
电感越大其切换频率会越低。MBI6661 的切换频率必须被控制在40kHz 以上以避免音频噪声的发生。供做切换频率与各参数间的关系可以推导如下：
RDS(ON) 为MBI6661 内部MOSFET 的导通电阻，此值为在电源电压VIN =12 伏特时量测值不超过0.35Ω
L1 为电源转换器的主电感
D 为MBI6661 工作占空比，D=VOUT÷VIN
FSW 为MBI6661 工作切换频率
IOUT 为LED 输出电流，△IL 为电感的涟波电流，△IL=(1.15xIOUT)–(0.85xIOUT)=0.3xIOUT
VSEN 为检流电阻上的直流压降，VIN 为输入电压，VOUT 为输出的LED 电压。
除了可改善轻载时的效率外，磁滞型脉冲频率调变控制方式也具有其他优点。由于MBI6661 使用高压侧电流检测技术(high-side sensing)，在检流电阻上所损失的功耗很小，因此可使用较小体积的检流电阻。相较于传统定频式脉波宽度调变控制技术(Pulse-Width Modulation, PWM)而言，磁滞型脉冲频率调变控制回路设计上更为简单，免除了复杂的频率补偿设计，因此可以大幅减少控制器所需的外部组件，这对节省电路板的空间及生产制造的成本是有正面帮助的。
高性价比之LED 照明驱动方案--提高led灯管效能
图3 MBI6661 应用电路 图4 磁滞型脉冲频率调变控制方式的波型示意图
支持更高的输入电压
不同于一般市面上常见的降压(Buck)型控制器多只支持到最高40V 的输入电压，MBI6661 采用台湾集成电路公司(TSMC)先进的60V BCD 制程工艺，将最大支持输入电压提升至60V(最大耐压超过75V)，除了可以完全支持常见的48V 的直流输出电压外，更一举将单一模块最大支持的输出功率提升到60W (60V, 1A 输出)，相较于目前市面常见方案有50%的提升。在高输出功率照明装置的设计上，MBI6661 可以有效减少输出模块的使用；
同时在单一模块内允许更多的LED 串连数，使均流设计更容易实现。
保护功能除了常见的过温保护(Over-Temperature Protection)以及欠压保护(Under-Voltage Lock-Out)外，MBI6661 同时内建了过电流保护(Over-Current Protection)。在12V/24V 的MR-16 应用中，使用者常发现在散热不佳的密闭使用环境下转换器IC 容易莫名烧毁，而烧毁时输出电流及电压均无异常，造成客诉上棘手难解的问题。事实上，萧特基二极管在高接合温度(junction temperature)下会产生热失控(thermal runaway)，也就是伴随着高接合温度下激发出更多的自由电子导致反向偏压下的逆向漏电流大幅增加。
如下图5 所示，对控制器而言电流侦测阻并无法有效侦测此一漏电流(虚线所示)，因此最终导致功率开关被过电流烧毁。
图5 正常工作电流(实线)与热失控电流(虚线)示意图
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