基于交流或直流电源的LED驱动电路设计实例转载 发布时间:2009年10月13日对话光的大师 讲座揭幕 谈中国城市灯光上海长江隧道首次全部使用LED照明 沿途可见新路牌欧盟未来10年太阳能投资预计将达到160亿 三星、LG积极布桩,光宝、亿光紧供应 LED照明企业上市要转变财富观念 广州春节前新电视塔光亮变身 高功率LED需求越来越多,晶电将力求LED整合 根据具体应用的不同,LED可能会采用不同的电源来供电,如交流线路、太阳能板、12 V汽车电池、直流电源或低压交流系统,甚至是基于碱和镍的电池或锂离子电池等.
1)采用交流离线电源为LED供电
在采用交流离线电源为LED供电的应用中,涉及到众多不同的应用场合,如电子镇流器、荧光灯替代、交通信号灯、LED灯泡、街道和停车照明、建筑物照明、障碍灯和标志等.在这些从交流主电源驱动大功率LED的应用中,有两种常见的电源转换技术,即在需要电流隔离(galvanic isolation)时使用反激转换器,或在不需要隔离时使用较为简单的降压拓扑结构.
在反激转换器方面,根据输出功率的不同,可以采用安森美半导体的不同反激转换器.例如,安森美半导体的NCP1013适合于功率高达5 W(电流为350 mA、700 mA或1 A)的紧凑型设计应用,NCP1014/1028可以提供高达8 W的连续输出功率,而NCP1351则适合于大于15 W的较大功率通用应用.
以NCP1014/1028为例,这是安森美半导体推出的离线式PWM开关稳压器,具有集成的700 V高压MOSFET,均采用350 mA/22 Vdc变压器设计及700 mA/17 Vdc配置,输入电压范围为90至265 Vac,具有输出开路电压钳位、采用频率抖动减少电磁干扰(EMI)信号以及内置热关闭保护等特性,适合于LED镇流器、建筑物照明、显示器背光、标志和通道照明及作业灯等应用.NCP1014/1028的应用设计示意图如下面的图1所示.值得一提的是,这设计具有开路输出保护功能,会在开路时将输出钳位至24 V电压.在这设计中,电流和开路电压能够通过简单地改变电阻/齐纳二极管组合来调整.值得一提的是,如果针对230 Vac交流线路使用另一种可选变压器,则NCP1014能够提供高达19 W的功率,NCP1028能够提供高达25 W的功率.
图1:安森美半导体离线式第二代LED驱动器NCP1014/1028的应用示意图.
在照明应用中,如果输出功率要求高于25 W,LED驱动器则面临着功率因数校正(PFC)的问题.例如,欧盟的国际电工委员会(IEC)针对照明(功率大于25 W)的要求中具有针对总谐波失真(THD)的规定.而在美国,能源部“能源之星”项目固态照明标准中对PFC带有强制性要求(而无论是何种功率等级),即针对住宅应用部分要求功率因数高于0.7,而针对商业应用部分要求功率因数高于0.9.这标准属于自愿遵守的标准,并非强制性要求,但有些应用可能需要良好的功率因数.例如,公营事业机构将推动LED的大规模应用,应用在公用设施级别的LED可望拥有较高功率因数;而且公营事业机构拥有或提供LED街灯服务时,LED是否具有较高功率因数(通常大于0.95)取决于公营事业机构的意愿,如果他们愿意,则相应的LED驱动解决方案必须满足这方面的要求.
图2:需要PFC的LED驱动应用中不同架构对比.
在这类可能需要采用PFC控制器的应用中,传统的解决方案是PFC控制器+PWM控制器的两段式方案.这种方案支持模块化,且认证简单,但在总体能效方面会有折衷,如假设交流-直流(AC-DC)段的能效为87%至90%,直流-直流(DC-DC)段能效为85%至90%,则总能效仅为74%至81%.随着LED技术的持续改进,这种架构预计将转化为更加优化、更高能效的方案.根据要求的不同,有多种可供选择的方案,如:PFC+非隔离降压、PFC+非隔离反激或半桥LLC、NCP1651/NCP1652单段式PFC方案.
另一方面,如上所述,在不需要隔离的应用中,可以采用较为简单的降压拓扑结构,这种结构所使用的电感比变压器小得多,而且只需要很少的元件来实现这种解决方案.这种架构采用的是峰值电流控制(PCC)模式,工作在深度连续导电模式(CCM).这种架构具有多种优势,如可以消除使用大电解输出电容、具有“良好”稳流的简单控制原理,以及能够充分利用安森美半导体的动态自供电(DSS)技术能力来直接从交流线路为驱动器供电.图3显示的是安森美半导体NCP1216 PWM电流模式控制器的应用设计示意图.
图3:采用峰值电流控制的NCP1216非隔离型离线式LED驱动应用.
它充分利用高压工艺技术的优势,从交流主电源直接为控制器供电,进一步简化了电路.这设计适合120 Vac条件,若要用于230 Vac条件,则需要变更少许元件,如功率FET和电容.由于这是一种非隔离型AC-DC设计,所以存在高压.而且这是一项浮动设计,IC和LED并非对地参考.在对器件进行供电之前,LED必须连接至电路板.
对于这类降压控制方式而言,当控制的LED数量减少时,它的一项局限就会出现,因为这时占空比会变得极窄.而且开关控制器在电流被感测到之前会有200至400 ns的前沿消隐电路.在这种情况下,必须降低开关频率来适应正常操作,并通过半波整流输入电路将电压保持在最低值.在这种方法中,基本架构能够通过元件修改来轻易扩展,从而也能驱动更长的LED串.
2)采用宽输入范围的直流-直流(DC-DC)电源为LED供电
有一系列高亮度LED应用工作在8至40 VDC范围的电源,这些电源包括铅酸电池、12-36 VDC适配器、太阳能电池以及低压的12 和24 VAC交流系统.这类的照明应用众多,如活动式照明、景观和道路照明、汽车和交通照明、太阳能供电照明,以及陈列柜照明等.
表1:宽输入范围的DC-DC LED应用.
即使目标是采用恒定电流驱动LED,首先要理解的事件就是应用的输入和输出电压变化.LED的正向电压由材料特性、结温度范围、驱动电流和制造容限决定.凭借这些信息,就可以选择恰当的线性或开关电源拓扑结构,如线性、降压、升压或降压-升压等.而安森美半导体的NCP3065/3066是一种多模式LED控制器,它集成1.5 A开关,可以设置成降压、升压、反转(降压-升压)/单端初级电感转换器(SEPIC)等多种拓扑结构.NCP3065/3066的输入电压范围为3.0至40 V,具有235 mV的低反馈电压,工作频率可调节,最高250 kHz.其它特性包括:能进行逐周期电流限制、不需要控制环路补偿、可采用所有陶瓷输出电容工作、具有模拟和数字PWM调光能力、发生磁滞时内部热关闭等.
图4:安森美半导体NCP3065在LED恒流降压控制应用中的示意图.
为LED提供保护
如前所述,LED是一种使用寿命极长的光源(可长达5万小时).除了需要针对具体的LED应用选择适合的LED驱动解决方案,还需要为LED提供适当的保护,因为偶尔LED也会失效.其原因多种多样,可能是因为LED早期失效,也可能是因为局部的组装缺陷或是因瞬态现象导致失效.必须对这些可能的失效提供预防措施,特别是因为某些应用属于关键应用(故障停机成本高),或是安全攸关的应用(如头灯、灯塔、桥梁、飞行器、飞机跑道等),或是在地理上难于接近的应用(维护困难)等.
在这方面,可以采用安森美半导体的NUD4700 LED分流保护解决方案.图5是这种分流保护解决方案的应用及原理示意图.
图5:安森美半导体NUD4700 LED开路分流保护器的应用示意图.
在LED正常工作时,泄漏电流仅为近100 μA;而在遭遇瞬态或浪涌条件时,LED就会开路,这时NUD4700分流保护器所在的分流通道激活,所带来的压降仅为1.0 V,将带给电路的影响尽可能地减小.这器件采用节省空间的小型封装,设计用于1 W LED(额定电流为350 mA@ 3 V),如果散热处理恰当,也支持大于1 A电流的操作.
总结
相较于白炽灯等传统光源,LED具有能效高、寿命长、指向性好等众多优势,越来越受业界青睐用于通用照明市场.而LED在通用照明市场的应用涉及多方面的要求,需要从系统的角度去考虑,如光源、电源转换、LED控制和驱动、散热和光学等.
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