虽然LED在过去的十年中有了显著的改进，但驱动技术并没有跟上步伐，在某些方面还是会在新应用中受到限制。大小是一个特殊的问题。尽管提高开关频率有助于减小尺寸，但通常会导致其他问题——成本高昂。Nordic Power Converters首席执行官Mickey Madsen解释了他的公司如何克服障碍，并通过设计超高频LED驱动器使其可行。

LED技术已经使照明市场发生了革命性的变化，并不断提供新的解决方案。LED驱动器在过去的十年中略有改进和优化，但是根本问题仍然存在：自1970年开始引入开关电源以来，功率转换技术基本没有改变。在尺寸，寿命和控制方面，LED已经超过了LED驱动器。消除这种差距的一种方法是大幅提高开关频率。这个想法并不新鲜，但以商业上可行的方式这样做具有可比性。所应用的技术提高了开关频率，尤其是减小了无源储能组件尺寸。从而减少尺寸，重量，LED驱动器的成本，同时提高可靠性和使用寿命。

LED驱动器引起的LED系统限制

在过去的十年中，LED的功效已经提高了许多倍，并且价格遭受了相当的侵蚀，并且将会持续下去。功效增加导致功耗降低，因此降低了对冷却的需求。所有这些都使小型灯具具有更高的设计自由度和更低的成本。然而，供应和控制LED所需的LED驱动器却没有得到相同的改进。

首先，LED驱动器的外形尺寸大小由无源能量存储元件（电感器和电容器）等所需组件构成。其次，所需组件的有限生命周期限制了LED驱动器的寿命和可靠性，使其成为LED系统故障的关键原因——并且通常比用户期望的要早。第三，尽管LED驱动器的成本随着数量的减少而降低，但是由于铜等传统元器件的原材料的成本降低受到限制。因此，LED驱动器需要有新的创新来赶上LED的发展并满足市场的需求。

LED驱动器中的无源元件尺寸和价格与开关频率成反比，并且开关频率的急剧提高将导致高功率密度和成本的降低。这个概念的好处是众所周知的，也是同样的问题。如下所述，提高开关频率会导致严重的开关损耗，导致硬开关模式电源（SMPS）效率下降，并导致系统故障。

传统电源技术

第一款开关电源是在二十世纪七十年代初期开发的，从此成为电源和LED驱动器的市场标准。电源的效率和功率密度在40多年的研发过程中有所提高，从那时起，随着技术的成熟和部件的优化，电源的性能已经达到了更高的水平。但是，改善速度大大降低了。

对于大多数LED驱动器的功率水平，公布的一些最好的结果是效率约为95％，功率密度为0.88W/cm3。这些结果是在具有可控环境的实验室中实现的，并且不关注成本。对于商业产品，为了降低成本，可以接受较低的效率和功率密度。

大众市场上的一些小型电源，如苹果笔记本电脑充电器。60W版本的功率密度为0.59W/cm3。（含套管和插头），效率达90％。对于USB充电器，效率和功率密度较低，效率约为75％，功率密度约为0.31W/cm3。同样的趋势适用于具有不同功率等级，规格，性能和价格的LED驱动器。在较低的功率水平下，效率和功率密度的下降部分是由于外壳，插头，控制，启动，保护和其他内部管理电路造成，部分是由于价格的折衷。随着功率水平的提高，效率变得越来越重要，价格的提高通常可以通过提高效率而被接受。

开关损耗影响开关频率

传统SMPS拓扑如Buck，升压和反激式开关是硬开关，这意味着开发板上的MOSFET在进行开关操作时，其间有电压和/或电流流过。结果是，每次开启时，MOSFET中的能量就会消耗掉。这就是所谓的开关损耗。在传统的转换器中，开关频率被选择为效率（开关损耗），尺寸和成本之间的折衷。在大多数商业产品中，开关频率范围为50-400kHz。

为了避免开关损耗，在保持高效率的同时能够提高频率，必须使用新的拓扑结构。利用谐振转换器，可以实现零电压开关（ZVS），并且由此可以避免由寄生开关电容引起的开关损耗。存在三组谐振转换器：串联谐振，并联谐振和串并联谐振转换器。

串联谐振转换器效率最高，复杂度最低，但在输出调节方面有着根本性的挑战，特别是在轻载和空载情况下。

并联谐振转换器具有更好的负载调整率，但是它们的谐振电流不随输出功率而变化。即使在轻负载情况下也会导致全负载损失，从而导致轻负载效率非常低。

串并联谐振转换器具有串联谐振和并联谐振元件。这些元件可以平衡以获得串联谐振和并联谐振拓扑的优点，同时显着减少其缺点。LLC转换器是谐振转换器最常用的拓扑结构。它可以采用零电压开关（ZVS）设计，以降低开关损耗并提高频率。LLC转换器通常用于从几百伏到几十伏的降压应用，通常在400-4000瓦的功率范围内。

自二十世纪八十年代以来，研究人员已经将谐振RF放大器（逆变器）与整流器一起用于DC/DC转换器。有了这些类型的转换器，就有可能实现ZVS和/或零电流开关（ZCS）。在这种情况下，当电压和/或电流通过时，MOSFET导通。理论上讲，如果切换是在恰当的时间完成的话，这应该消除开关损耗。在实践中，只要与理想情况稍有偏差就可以实现非常高的效率。

甚高频（VHF）共振转换器

在过去十年中，这种在VHF范围内工作的转换器的研究已成为重点。进入这个频率范围可以大大减少对无源能量存储和磁芯的需求。电解电容器可以被空芯磁性元件和陶瓷电容器所取代，因此可以在延长使用寿命的同时最小化尺寸和价格。

开关频率在30到300MHz之间时，选择拓扑主要考虑的是开关损耗。由于寄生输出电容，MOSFET中的开关损耗随开关频率线性增加，如果拓扑没有考虑到这一点，则成为这些频率的主要损耗机制。

图1：E类转换器的原理图

大多数拓扑均来自E类逆变器，该类逆变器利用设计中开关的输出电容，并确保在MOSFET导通之前电容完全放电。一些拓扑结构也可以实现零电流开关（ZCS）。这消除了例如MOSFET封装中寄生电感引起的损耗。尽管在功率变换器中通常不会有大的损耗机制，但是这导致在切换时刻（ZdVS或ZDS）电压的导数为零，因此是相关的。如果MOSFET没有在正确的时间准确导通，那么它会降低其影响，因为跨过它的电压将在一段时间内接近于零。

图2：DE类转换器的示意图

DE类逆变器是由与E类逆变器相同数量的元件组成的半桥逆变器；只有最大的电感被一个开关所取代。因此，这种拓扑结构只有一个电感器，同时比其他拓扑结构中的任何电感器都小。MOSFET上的峰值电压在任何逆变器中都是最低的，电流也是最低的。

因此，如果能够设计高效的高端栅极驱动器，则DE逆变器优于所有单开关拓扑结构。

图3：比较开关频率为100kHz和30MHz的20W驱动器

图4：工作在30MHz的20W驱动器效率曲线

VHF的技术优势

小型化

图3显示了被动储能元件构成了SMPS的大部分体积。作为一个粗略的平均值，这些组件构成了95％的体积，有源元件连同电阻构成剩下的5％。尽管开关频率的增加并不一一反映尺寸的减小，但从100kHz增加到300MHz的频率将增加约10倍。因此，整体开关电源将降至原来的15％左右。如图3所示，传统的20W LED驱动器工作频率为100kHz，而20W LED驱动器工作频率为30MHz。

可靠性

LED系统故障的很大一部分是由LED驱动器引起的；有些人声称绝大多数。在大多数情况下，这是由于电解电容器随着其内部的液体蒸发而随着温度大大降低。VHF电容的需求降低消除（或显着减少）对电解电容器的需求，并因此限制了这种故障原因。

此外，对能量储存的需求下降导致空心磁性元件成为磁性磁性元件的可行替代方案。向空心磁性元件的转移需要频率的显著提高，因为没有磁芯就可以获得更低的单位体积电感。如果频率增加到VHF范围，空芯和PCB嵌入式磁性元件成为可行的解决方案，因为这些频率所需的电感可以做成小的物理尺寸，避免了磁芯损耗。由于磁性元件具有最高的物理质量并且对高温敏感，这不仅显着地减少了BOM，而且提高了LED驱动器的稳健性和机械稳定性。

高调光效率

另一个强大的好处是提高调光效率。由于开关频率非常高，所以在调光时可以调制整个转换器，而不会引起可见的闪烁。通过这种方式，转换器可以在最佳工作条件下工作，效率最高，损耗也最低。这使得一个非常平坦的效率曲线。这可以用来在特定的照明设备中实现更高的调光效率，或者在更广泛的照明设备中使用给定的驱动器，同时实现所有照明设备的高效率。

综上所述，在尺寸和可靠性方面，LED驱动器已经成为LED照明的主要瓶颈之一。VHF LED驱动器背后的技术为LED照明提供了基本的优势，具有更小的外形尺寸，更高的可靠性和更高的效率。

随着传统电源解决方案的不断进步以及随着LED技术的不断提高，小型化的要求不断提高，为下一代LED照明提供了新的技术和解决方案。通过将RF行业的电路与电力电子设计方法相结合，可以设计出新的VHFSMPS拓扑结构，从而实现无切换损耗。由此，减少了对无源能量存储元件的需求，从而能够去除重且笨重的磁性部件和温度敏感的电解电容器。