- 基于交/直流電源的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)例
- 采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電
- 采用寬輸入范圍的DC-DC電源為L(zhǎng)ED供電
根據(jù)具體應(yīng)用的不同，led可能會(huì)采用不同的電源來(lái)供電，如交流線路、太陽(yáng)能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。
1)采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電
在采用交流離線電源為L(zhǎng)ED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號(hào)燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動(dòng)大功率LED的應(yīng)用中，有兩種常見(jiàn)的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時(shí)使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時(shí)使用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設(shè)計(jì)應(yīng)用，NCP1014/1028可以提供高達(dá)8 W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。
以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器設(shè)計(jì)及700 mA/17 Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開(kāi)路電壓鉗位、采用頻率抖動(dòng)減少電磁干擾(EMI)信號(hào)以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。NCP1014/1028的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖如下面的圖1所示。值得一提的是，這設(shè)計(jì)具有開(kāi)路輸出保護(hù)功能，會(huì)在開(kāi)路時(shí)將輸出鉗位至24 V電壓。在這設(shè)計(jì)中，電流和開(kāi)路電壓能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地改變電阻/齊納二極管組合來(lái)調(diào)整。值得一提的是，如果針對(duì)230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達(dá)19 W的功率，NCP1028能夠提供高達(dá)25 W的功率。
圖1：安森美半導(dǎo)體離線式第二代LED驅(qū)動(dòng)器NCP1014/1028的應(yīng)用示意圖。
在照明應(yīng)用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅(qū)動(dòng)器則面臨著功率因數(shù)校正(PFC)的問(wèn)題。例如，歐盟的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)針對(duì)照明(功率大于25 W)的要求中具有針對(duì)總諧波失真(THD)的規(guī)定。而在美國(guó)，能源部“能源之星”項(xiàng)目固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)PFC帶有強(qiáng)制性要求(而無(wú)論是何種功率等級(jí))，即針對(duì)住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7，而針對(duì)商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.9。這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿遵守的標(biāo)準(zhǔn)，并非強(qiáng)制性要求，但有些應(yīng)用可能需要良好的功率因數(shù)。例如，公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)將推動(dòng)LED的大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用在公用設(shè)施級(jí)別的LED可望擁有較高功率因數(shù)；而且公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)擁有或提供LED街燈服務(wù)時(shí)，LED是否具有較高功率因數(shù)(通常大于0.95)取決于公營(yíng)事業(yè)機(jī)構(gòu)的意愿，如果他們?cè)敢猓瑒t相應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)解決方案必須滿足這方面的要求。
圖2：需要PFC的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中不同架構(gòu)對(duì)比。
在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化，且認(rèn)證簡(jiǎn)單，但在總體能效方面會(huì)有折衷，如假設(shè)交流-直流(AC-DC)段的能效為87%至90%，直流-直流(DC-DC)段能效為85%至90%，則總能效僅為74%至81%。隨著LED技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，這種架構(gòu)預(yù)計(jì)將轉(zhuǎn)化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據(jù)要求的不同，有多種可供選擇的方案，如：PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、NCP1651/NCP1652單段式PFC方案。
另一方面，如上所述，在不需要隔離的應(yīng)用中，可以采用較為簡(jiǎn)單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)所使用的電感比變壓器小得多，而且只需要很少的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這種解決方案。這種架構(gòu)采用的是峰值電流控制(PCC)模式，工作在深度連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。這種架構(gòu)具有多種優(yōu)勢(shì)，如可以消除使用大電解輸出電容、具有“良好”穩(wěn)流的簡(jiǎn)單控制原理，以及能夠充分利用安森美半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)自供電(DSS)技術(shù)能力來(lái)直接從交流線路為驅(qū)動(dòng)器供電。圖3顯示的是安森美半導(dǎo)體NCP1216 PWM電流模式控制器的應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖。
圖3：采用峰值電流控制的NCP1216非隔離型離線式LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。
它充分利用高壓工藝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從交流主電源直接為控制器供電，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路。這設(shè)計(jì)適合120 Vac條件，若要用于230 Vac條件，則需要變更少許元件，如功率FET和電容。由于這是一種非隔離型AC-DC設(shè)計(jì)，所以存在高壓。而且這是一項(xiàng)浮動(dòng)設(shè)計(jì)，IC和LED并非對(duì)地參考。在對(duì)器件進(jìn)行供電之前，LED必須連接至電路板。
對(duì)于這類降壓控制方式而言，當(dāng)控制的LED數(shù)量減少時(shí)，它的一項(xiàng)局限就會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)檫@時(shí)占空比會(huì)變得極窄。而且開(kāi)關(guān)控制器在電流被感測(cè)到之前會(huì)有200至400 ns的前沿消隱電路。在這種情況下，必須降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)適應(yīng)正常操作，并通過(guò)半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中，基本架構(gòu)能夠通過(guò)元件修改來(lái)輕易擴(kuò)展，從而也能驅(qū)動(dòng)更長(zhǎng)的LED串。
2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為L(zhǎng)ED供電
有一系列高亮度LED應(yīng)用工作在8至40 VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36 VDC適配器、太陽(yáng)能電池以及低壓的12 和24 VAC交流系統(tǒng)。這類的照明應(yīng)用眾多，如活動(dòng)式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。
表1：寬輸入范圍的DC-DC LED應(yīng)用。
即使目標(biāo)是采用恒定電流驅(qū)動(dòng)LED，首先要理解的事件就是應(yīng)用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結(jié)溫度范圍、驅(qū)動(dòng)電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當(dāng)?shù)木€性或開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導(dǎo)體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5 A開(kāi)關(guān)，可以設(shè)置成降壓、升壓、反轉(zhuǎn)(降壓-升壓)/單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40 V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調(diào)節(jié)，最高250 kHz。其它特性包括：能進(jìn)行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補(bǔ)償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數(shù)字PWM調(diào)光能力、發(fā)生磁滯時(shí)內(nèi)部熱關(guān)閉等。
圖4：安森美半導(dǎo)體NCP3065在LED恒流降壓控制應(yīng)用中的示意圖。
為L(zhǎng)ED提供保護(hù)
如前所述，LED是一種使用壽命極長(zhǎng)的光源(可長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)小時(shí))。除了需要針對(duì)具體的LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)解決方案，還需要為L(zhǎng)ED提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，因?yàn)榕紶朙ED也會(huì)失效。其原因多種多樣，可能是因?yàn)長(zhǎng)ED早期失效，也可能是因?yàn)榫植康慕M裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。必須對(duì)這些可能的失效提供預(yù)防措施，特別是因?yàn)槟承?yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用(故障停機(jī)成本高)，或是安全攸關(guān)的應(yīng)用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機(jī)跑道等)，或是在地理上難于接近的應(yīng)用(維護(hù)困難)等。
在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700 LED分流保護(hù)解決方案。圖5是這種分流保護(hù)解決方案的應(yīng)用及原理示意圖。
圖5：安森美半導(dǎo)體NUD4700 LED開(kāi)路分流保護(hù)器的應(yīng)用示意圖。
在LED正常工作時(shí)，泄漏電流僅為近100 μA；而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí)，LED就會(huì)開(kāi)路，這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活，所帶來(lái)的壓降僅為1.0 V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計(jì)用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V)，如果散熱處理恰當(dāng)，也支持大于1 A電流的操作。
總結(jié)
相較于白熾燈等傳統(tǒng)光源，LED具有能效高、壽命長(zhǎng)、指向性好等眾多優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受業(yè)界青睞用于通用照明市場(chǎng)。而LED在通用照明市場(chǎng)的應(yīng)用涉及多方面的要求，需要從系統(tǒng)的角度去考慮，如光源、電源轉(zhuǎn)換、LED控制和驅(qū)動(dòng)、散熱和光學(xué)等。
