輸入欠壓和過(guò)壓保護(hù)原理圖設(shè)計(jì)

LED 照明的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)很快熟悉了各類適用的安全標(biāo)準(zhǔn)，如針對(duì)美國(guó)通用 LED 燈的 IEC 62560、針對(duì) LED 陣列和模塊的 IEC 62031 以及針對(duì)驅(qū)動(dòng)器和電源的 IEC 61347。 異常危險(xiǎn)包括可能由如附近雷擊之類事件引起的輸入電力線路上的高能浪涌。 IEC 61000-4-5 描述了使用標(biāo)準(zhǔn) 8 x 20 μs 波形的浪涌測(cè)試，并為歐洲戶外照明應(yīng)用規(guī)定了高達(dá) 10 kV/5 kA 的電平。

直插式保險(xiǎn)絲、金屬氧化物變阻器 (MOV) 和并聯(lián)式瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管等器件可在電源和驅(qū)動(dòng)器電路中使用。 像Littelfuse 這樣的廠商已經(jīng)就如何選擇和定位設(shè)備以便吸收并轉(zhuǎn)移存在潛在瞬態(tài)損害的能量提供了全面的指導(dǎo)。

圖 1 概述了在通用 LED 照明解決方案中所使用的浪涌保護(hù)器件。 如圖所示，三個(gè) MOV 分別放置在相線與中性線、中性線與接地線以及相線與接地線之間，實(shí)現(xiàn)了較高的浪涌承受能力，例如 Littelfuse V300SM7。 MOV 的跨壓過(guò)大時(shí)會(huì)使器件形成導(dǎo)電通路，從而轉(zhuǎn)移浪涌能量。 TVS 二極管可以是像 Littelfuse P6KE300 這樣的器件，能通過(guò)耗散瞬態(tài)能量來(lái)保護(hù)電路元器件。 所選器件必須能承受施加的瞬態(tài)電壓所造成的最大脈沖電流。

圖 1：Littelfuse 的 LED 照明應(yīng)用浪涌保護(hù)器件設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

線路電壓波動(dòng)防護(hù)

上文所示的器件可有效避免電路受短期高能量脈沖的影響。 然而，具有較慢時(shí)間常數(shù)的波動(dòng)也可能造成威脅。 眾所周知，隨著電力公司的最終用戶需求增加、基礎(chǔ)設(shè)施老化，且基于化石燃料的傳統(tǒng)發(fā)電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦蟪潭壬弦蕾囉诳稍偕茉吹姆植际桨l(fā)電的綠色環(huán)保模式，電力公司面臨著維持電網(wǎng)穩(wěn)定性的壓力。 在這種情況下，可能出現(xiàn)欠壓和過(guò)壓波動(dòng)，降低了某些電路類型中的元器件可靠性和壽命。

例如，MR16 或 GU10 燈泡等常用照明產(chǎn)品的 LED 替換用燈面臨成本和尺寸的嚴(yán)格限制。 為了應(yīng)對(duì)這些壓力，Texas Instruments TPS92210 LED 驅(qū)動(dòng)器控制器采用內(nèi)部 MOSFET，以共源共柵配置與外部高電壓 MOSFET 相連。 這簡(jiǎn)化了啟動(dòng)，允許在沒(méi)有外部電流檢測(cè)電阻的情況下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并且降低了初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)損耗。 通過(guò)支持?jǐn)嗬m(xù)導(dǎo)電模式 (DCM) 操作，它還最大程度地降低了輸出整流器二極管的反向恢復(fù)損耗。 因此，TPS92210 與常規(guī)反激式架構(gòu)相比，有助于提高效率和可靠性，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。 圖 2 顯示了典型應(yīng)用的原理圖。 注意，連接到 DRN 引腳（引腳 6）的外部 MOSFET 與 TPS92210 內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器 MOSFET 的漏極相連，形成共源共柵電路。

圖 2：旨在提高相對(duì)常規(guī)反激式轉(zhuǎn)換器性能的 LED 驅(qū)動(dòng)器電路。

該驅(qū)動(dòng)器電路旨在為 LED 燈串提供恒定功率。 如果電網(wǎng)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致線路電壓降低，那么輸入到驅(qū)動(dòng)器中的電流將增強(qiáng)，以便保持恒定的輸出功率。 增強(qiáng)的電流會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器元器件施加過(guò)多應(yīng)力。 同樣地，由于線路電壓的大幅增加以及變壓器初級(jí)側(cè)繞組電感引起的瞬時(shí)振蕩，可能超過(guò) MOSFET 和電容器等重要元器件的額定值。 雖然上文提及的 MOV 和 TVS 二極管等標(biāo)準(zhǔn)元器件能有效防護(hù)短時(shí)高能浪涌，但可能需要額外保護(hù)才能防止?jié)撛诘穆肪€不穩(wěn)定性造成損壞。

當(dāng)使用像TPS92210 這樣的控制器時(shí)，外部電路可設(shè)計(jì)為當(dāng)交流線路輸入上升或下降到正常范圍以外時(shí)，利用 IC 的變壓器零能量檢測(cè) (TZE) 功能暫時(shí)禁用驅(qū)動(dòng)器。

過(guò)壓/欠壓保護(hù)電路操作

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在 DCM 模式時(shí)，只有在變壓器已完全復(fù)位或其能量為零時(shí)，才啟動(dòng)每個(gè)后繼的開(kāi)關(guān)周期。 當(dāng)初級(jí)偏置繞組相對(duì)于接地為負(fù)時(shí)，連接到 TZE 引腳的電阻分壓器可監(jiān)視從 TZE 引腳輸出的電流，進(jìn)而檢測(cè)變壓器的零能量點(diǎn)。

圖 3 顯示了保護(hù)電路在輸入欠壓/過(guò)壓的情況下阻止下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期啟動(dòng)以停止驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行。 這通過(guò)在 TZE 引腳上施加 DC 電壓防止過(guò)零檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)輸入電壓在安全工作范圍內(nèi)時(shí)，電路不會(huì)向 TZE 引腳輸出 DC 電壓，進(jìn)而允許正常的過(guò)零檢測(cè)，使控制器能協(xié)調(diào)谷值開(kāi)關(guān)，從而獲得最佳效率。

圖 3：輸入欠壓和過(guò)壓保護(hù)原理圖。

該電路通過(guò)從橋式整流器輸出接收經(jīng)過(guò)整流的非平滑線路電壓來(lái)工作。 該電壓通過(guò)齊納 D2 箝至 12 V，并通過(guò)電阻分壓器進(jìn)一步降低。 電阻器 R3 和 R4 與欠壓保護(hù)相關(guān)，而 R5 和 R6 用于處理過(guò)壓保護(hù)。 電阻值 R3、R4、R5 和 R6 確定后，跳變閾值將分別設(shè)置為 1V 和 2.5V。

12 V 偏置還用于為精密四通道單電源微功耗運(yùn)算放大器 U1 (TLC27L4) 供電。 為 U1 選擇微功耗運(yùn)算放大器，是為了允許直接從齊納二極管進(jìn)行操作，而不會(huì)在低輸入電壓情況下出現(xiàn)不穩(wěn)定的開(kāi)/關(guān)周期，此情況可能在使用需要更高供電電流的器件時(shí)出現(xiàn)。 U1-A 作為峰值檢測(cè)器，產(chǎn)生與電容器 C4 上的 Vin(rms) 成比例的 DC 電壓。 當(dāng)峰值檢測(cè)器電壓低于欠壓基準(zhǔn)VR1 時(shí)，U1-B 將緩沖此 DC 電壓，并且 U1-C 會(huì)輸出一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)。 同樣地，U1-D 將峰值檢測(cè)器輸出與過(guò)壓基準(zhǔn)VR2 進(jìn)行比較，進(jìn)而在 RMS 輸入電壓超過(guò)過(guò)壓觸發(fā)器閾值時(shí)生成錯(cuò)誤信號(hào)。 U1-C 和 U1-D 的輸出通過(guò)齊納 D5 箝至3.3 V，然后在被饋送到 TZE 引腳之前用晶體管 Q1 進(jìn)行緩沖。 R10 和 R12 引入約 5 V 的滯后來(lái)避免在邊界限制處的誤觸發(fā)。

由于連續(xù)掃描 TPS92210 的 TZE 輸入來(lái)查找谷值轉(zhuǎn)換，當(dāng)保護(hù)電路在引腳上強(qiáng)加 DC 電壓時(shí)可阻止開(kāi)關(guān)周期。 當(dāng)輸入電壓恢復(fù)到正常工作范圍時(shí)，可恢復(fù)開(kāi)關(guān)。 該表顯示了與輸入端的正常和浪涌條件對(duì)應(yīng)的器件特性和驅(qū)動(dòng)器輸出狀態(tài)。

結(jié)論

為確保 LED 照明解決方案符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，諸如險(xiǎn)絲、MOV 和 TVS 二極管之類傳統(tǒng)浪涌抑制器件是必不可少的。 通過(guò)阻止?jié)撛谄茐男噪娏骰蜻^(guò)高電壓到達(dá)驅(qū)動(dòng)器元件或 LED，附加電路可提供智能保護(hù)，以防交流電力線路質(zhì)量惡化。