LED離線電源驅(qū)動設(shè)計實例 - 全文

　　一、離線式LED驅(qū)動電路設(shè)計

　　作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保的綠色光源產(chǎn)品，LED擁有廣闊的市場前景。市場現(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)上千款LED驅(qū)動IC。其中我們遇到比較多的是單芯片線路結(jié)構(gòu)（圖1a）。

　　根據(jù)IC的數(shù)據(jù)表可知，這類IC為工作于PWM方式的高效LED驅(qū)動控制電路，借助于外部電路，能適應(yīng)從8V到450V 的寬輸入電壓范圍。通過外部的電阻（或電容）可設(shè)定固定頻率控制外部功率MOS管，以恒流的方式可靠地驅(qū)動LED串。LED的電流可以通過選擇恰當(dāng)?shù)南蘖麟娮鑱碓O(shè)定。同時提供線性調(diào)光功能，支持低頻可變占空比的數(shù)字脈沖（PWM）調(diào)光功能。

　　根據(jù)應(yīng)用場合和按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，其驅(qū)動方案可以分為三種。

　　按照PWM調(diào)節(jié)方式，可以分成恒定頻率和恒定關(guān)斷時間兩類（圖1）。

　　在穩(wěn)定狀態(tài)下加在電感兩端的電壓乘以導(dǎo)通時間等于關(guān)斷時刻電感電壓乘以關(guān)斷時間：Von*Ton=Voff*Toff，即（Vin-Vo）*Ton=Vo*Toff。

　　從電感的計算公式可以看出這兩者之間的差異性，圖1a中的電感計算式為L = （Vin–Vo） * Ton /ΔI ，圖1b中的電感計算式為L＝Vo*Toff/ΔI。Io=Ip-ΔI /2。如圖2所示電流波形示意圖，電感確定后，圖2a中輸入電壓Vin變化導(dǎo)致紋波電流ΔI變化，以致輸出電流變化；圖2b中的紋波電流ΔI與輸入電源電壓無關(guān)。因此在電壓波動較大的寬電壓應(yīng)用環(huán)境下，使用恒定關(guān)斷時間電路方式。

　　按照是否隔離，可以分成隔離和非隔離兩類。

　　隔離和非隔離驅(qū)動方式主要針對市電交流輸入而言。當(dāng)采用圖3a的非隔離方式時，建議工作在電流連續(xù)模式；當(dāng)采用圖3b的隔離方式時，建議變壓器工作在非連續(xù)方式（即每個周期結(jié)束時，變壓器無剩磁），這樣可以保證每次開關(guān)周期，變壓器原邊傳送給副邊的能量相同（與電源電壓無關(guān)）。

　　圖3b隔離方式為反激式電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)Q1導(dǎo)通時，原邊繞組電流增加，副邊繞組無電流，負載通過C2續(xù)流。當(dāng)Q1關(guān)斷時，副邊繞組導(dǎo)通，變壓器存儲的能量通過副邊繞組釋放為負載。變壓器轉(zhuǎn)移功率P＝1/2*Imax*Imax*L*Fosc。采用這種隔離方式時，必須注意副邊不在環(huán)路控制中，有可能出現(xiàn)大電流從而損害LED。使用時必須增加保護電路限流。

　　按照電源類別，可以分成交流和直流兩類。

　　當(dāng)交流市電作輸入時，只需要將電源電壓整形濾波后接入直流應(yīng)用電路。

　　基于AX2028的LED驅(qū)動電路設(shè)計

　　LED產(chǎn)品對其驅(qū)動電源的要求包括：穩(wěn)定、可靠、高效、通用。AX2028是一款LED驅(qū)動恒流控制芯片，系統(tǒng)應(yīng)用電壓范圍為12VDC至600VDC，占空比為0～100%，固定關(guān)斷時間工作模式。它支持交流85V～265V輸入，非隔離和隔離應(yīng)用方案。AX2028采用獨特的技術(shù)進行恒流控制和補償方法，使LED電流在交流85V～265V范圍內(nèi)變化小于±3％。AX2028采用優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)效率高于92％?？蓮V泛應(yīng)用于E14、E27、PAR30、PAR38、GU10等燈杯和LED日光燈。

　　AX2028具有多重LED保護功能，包括LED開路保護、LED短路保護、過溫保護。在系統(tǒng)故障出現(xiàn)的時候，電源系統(tǒng)進入保護狀態(tài)，直到故障解除，系統(tǒng)又重新進入正常工作模式。

　　在AX2028_TUBE_18W非隔離應(yīng)用設(shè)計（圖4）中，LED光源陣列設(shè)計為0.06W白光LED（SMT或草帽燈）24個串聯(lián)、12串并聯(lián)的方案，驅(qū)動288個小功率WLED，總功率為18W。

　　電路采用了EMI抑制電路、整流濾波電路、填谷PFC電路、AX2028恒流系統(tǒng)電路來驅(qū)動LED工作。

　　AX2028_TUBE_12W簡化板應(yīng)用方案的性能指標(biāo)如下：

　　寬電壓AC 85～265v；輸出 12串12并

　　電流220MA±1MA（輸出電流可調(diào)）

　　電壓調(diào)整率：1%

　　負載調(diào)整率：3%

　　電源效率＞88%

　　PFC＞0.92

　　THD＜45

　　短路保護

　　開路保護；空載輸出限壓＜48V（限壓可調(diào)）

　　MOS溫升＜20℃

　　規(guī)格指標(biāo)：

　　單面PCB布局

　　190mm*16mm*11mm，適合T8、T10、日光燈管

　　不易導(dǎo)致器件虛焊，貼片采用豎式排列

　　無噪聲

　　采用獨特電路結(jié)構(gòu)，無閃爍

　　高性價比

　　對于非隔離的燈具，其設(shè)計原理可延用上述LED日光燈應(yīng)用典型方案設(shè)計思路經(jīng)行選擇，改變LED光源排列方式，則可以變換成各種不同形式的LED燈具。針對各種LED燈具對驅(qū)動電源的不同要求，可以改變電源的輸出特性設(shè)計來滿足各不相同的需求。AX2028可應(yīng)用于設(shè)計隔離與非隔離的球泡燈、PAR燈、筒燈、嵌燈、洗墻燈、臺燈、可控硅調(diào)光燈等LED光源燈具的驅(qū)動電源。

　　本文小結(jié)

　　AX2028在設(shè)計上的重大改進使得性能更趨完善，固定Toff工作模式、高占空比、高達92%的效率、高恒流精度等特性，使其更適用于LED照明燈具的驅(qū)動電源應(yīng)用。

　　二、TPS92070低功耗離線LED的照明解決方案

　　TPS92070是一種先進的低功耗，離線LED照明應(yīng)用中使用的PWM控制器理想。綜合調(diào)光接口電路，TPS92070具有非耗散調(diào)光，觸發(fā)控制電路。TPS92070控制器提供直流LED電流無光度的漣漪效應(yīng)。直流電流也導(dǎo)致在更高的LED的功效。TPS92070提供指數(shù)控制光輸出基于外部調(diào)光器的位置。填谷電路實現(xiàn)高功率因數(shù)。一次檢測前沿調(diào)光器，TPS92070套禁用PFC電路的輸出，從而優(yōu)化了驅(qū)動程序的操作。實現(xiàn)深度調(diào)光的LED電流檢測精度誤差放大器。TPS92070主要特性：先進的集成調(diào)光接口的非耗散TRIAC調(diào)光器管理燈燈在亮度均勻性沒有低頻的光度脈動指數(shù)調(diào)光簡介創(chuàng)新的二次側(cè)反饋，無需光耦器件超過5％的LED電流調(diào)節(jié)更好的可編程最小LED電流谷開關(guān)和DCM降低EMI和提高效率的運作前沿調(diào)光器檢測功率因數(shù)》 0.8 逐周期電流限制保護低啟動和待機電流PWM MOSFET驅(qū)動器集成熱關(guān)閉的16引腳TSSOP封裝的TPS92070應(yīng)用：LED燈泡更換LED燈具的LED嵌燈的LED洗墻燈圖1。TPS92070方框圖圖2。TPS92070應(yīng)用電路圖230VAC輸入TPS92070EVM-648調(diào)的光的LED照明驅(qū)動器TPS92070EVM-648的綜合調(diào)光的LED照明驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為230 VAC輸入1低功率隔離反激式轉(zhuǎn)換器，提供5板上發(fā)光二極管與該TPS92070EVM-648評估模塊（EVM）， 370 mA的驅(qū)動電流從額定230 VAC輸入。該EVM旨在展示在一個典型的應(yīng)用程序，其中可用于普通照明應(yīng)用需要調(diào)光的LED TPS92070 評估模塊使用在低功率離線反激式轉(zhuǎn)換器TPS92070高效率的集成調(diào)光LED照明驅(qū)動器控制器提供370 mA的到主板上的LED負載。輸入接受一個標(biāo)稱50赫茲，230 VAC輸入電壓。TPS92070EVM-648被設(shè)計成系列前沿可控硅調(diào)光器的輸入電壓開關(guān)來控制LED的流明輸出。的綜合調(diào)光的TPS92070接口電路提供指數(shù)控制光輸出的外部調(diào)光器的位置。本用戶指南的原理圖，元件清單，裝配圖和測試設(shè)置最多必要的，以評估在一個AC輸入的TPS92070 LED照明應(yīng)用。A.使用大于240伏交流輸入電壓，建議用戶更換保險絲，至少有300伏的額定電壓在1 TPS92070EVM-648調(diào)光的LED照明驅(qū)動器主要特性：TPS92070EVM-648的功能包括：?180 VAC至240 VAC輸入范圍370的LED電流調(diào)節(jié)毫安，標(biāo)稱6 W的16.5 V輸出先進的綜合調(diào)光接口?指數(shù)調(diào)光個人資料?可編程最小的LED電流?谷交換和DCM工作前緣調(diào)光檢測填谷功率因數(shù)校正?周期電流限制保護周期TPS92070EVM-648調(diào)的光的LED照明驅(qū)動器應(yīng)用：該TPS92070是在低功率照明應(yīng)用，如使用適合：?LED的光燈泡的更換?LED的燈具?LED的下降，燈?LED的墻

　　三、離線LED控制電路的實現(xiàn)

　　熒光燈與LED相比較

　　LED的工作原理與熒光燈完全不同。單獨電子會在半導(dǎo)體材料的p-n結(jié)上跳動（由n區(qū)到p區(qū)）。有些半導(dǎo)體（如鎵）的帶隙十分寬闊，電子需要相當(dāng)大的能量才能跳過p-n結(jié)。每個電子與原子復(fù)合，就會發(fā)射出一種光粒子，稱為“光子”。由于所有光線都在結(jié)點上一個十分細小的空間內(nèi)產(chǎn)生，所以只能形成點光源，需要很多LED才能照亮一個大范圍。此外，由于LED不能耗散本身的熱能，所以工作溫度比較高，需要外加散熱功能。

　　盡管LED控制起來比較簡單，但仍然有本身的要求和挑戰(zhàn)。它們不需要引燃或預(yù)熱，但電流必須保持恒定，且需配合每個LED的工作。此外，LED的電氣連接有可能需要電隔離，一切取決于應(yīng)用要求。表1比較了熒光燈與LED的電路要求。

　　包含一個阻止鎮(zhèn)流器產(chǎn)生噪聲的輸入過濾器、一個交流輸入轉(zhuǎn)換成直流總線電壓的整流器及平波電容器、一個能夠產(chǎn)生高頻方波電壓的控制集成電路和半橋，以及一個用于預(yù)熱、觸發(fā)和運行熒光燈的諧振輸出級。另外還需加入一些附加的電路才能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)光功能，包括一個隔離型0~10VDC調(diào)光接口、一個測量燈電流的檢測電路，以及一個能夠持續(xù)調(diào)節(jié)輸出頻率確保燈電流保持于用戶設(shè)定水平的閉環(huán)反饋電路。閉環(huán)系統(tǒng)的作用是根據(jù)熒光燈的非線性電氣特性，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)燈的電流。

　　IRS2530D是一款600V的8腳熒光燈調(diào)光控制集成電路，能夠為半橋提供所需的高、低端柵極驅(qū)動，包括所有調(diào)光功能，同時針對交流及負載故障，為電路提供完善的保護。芯片的其中6個引腳用于處理基本和必要的功能，包括集成電路的供電與接地（VCC、COM），以及半橋的高、低端柵驅(qū)（VB、HO、VS、LO）。最大的挑戰(zhàn)是要通過余下的2個引腳（VCO、DIM） 實現(xiàn)其他功能，即預(yù)熱、觸發(fā)和調(diào)光（見圖2）。

　　圖2 IRS2530D器件的引腳分配及功能

　　當(dāng)一個電壓（典型14V）首次加到VCC，集成電路就會從欠壓鎖閉（UVLO）模式進入預(yù)熱/觸發(fā)模式。半橋會開始以最大頻率振蕩，VCO引腳內(nèi)部的電流源也開始從COM對外部電容器線性充電（見圖3）。

　　圖3 預(yù)熱、觸發(fā)及調(diào)光時序圖

　　隨著VCO電壓增加，諧振回路電感器的次級繞組又會給燈絲加熱，輸出頻率會下降。VCO電壓充好之后，頻率會朝著諧振回路電路的諧振頻率水平下降，而燈的輸出電壓會上升。輸出電壓超越了燈的觸發(fā)電壓時，燈會點燃起來，電流也會開始流動，使芯片進入調(diào)光模式。

　　在調(diào)光模式下，電路以一個電流檢測電阻（RCS）來測量交流燈電流。測量結(jié)果會通過一個反饋電容器（C2）耦合于DIM引腳的DC參考。DIM引腳上的交流加直流信號會與集成電路內(nèi)部的COM作比較，從而使頻率得到控制，確保交流分量的谷值保持于COM（見圖4）。

　　當(dāng)交流谷值保持于COM，直流參考值會上升或下降，交流燈電流幅值也相應(yīng)增減。直流參考結(jié)合交流燈電流，一個引腳可同時支持參考及反饋功能，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)光控制。

　　新型LED控制電路

　　典型的LED控制電路基于降壓、升壓或反激拓撲設(shè)計，用于產(chǎn)生通過一串LED所需的恒定電流。這些拓撲各有優(yōu)劣，一切取決于輸入電壓范圍、串聯(lián)驅(qū)動的LED數(shù)量、LED串并行的數(shù)量、LED輸出電流以及是否需要隔離、是否需要調(diào)光，及效率、大小及成本?；谏鲜鲈?，電路設(shè)計往往變化多端，以滿足不同LED應(yīng)用的需求。新型電路是由調(diào)光型熒光燈應(yīng)用略為改進而得到的諧振模式電路，適用于不隔離的離線應(yīng)用。它能夠驅(qū)動一或多個串聯(lián)的LED，又可輕松擴展，配合不同的LED電流水平，還可通過軟開關(guān)得到良好的效率。新電路（見圖5）的設(shè)計基于現(xiàn)存的IRS2530D調(diào)光控制IC

　　圖5 新型的IRS2530D離線LED控制電路

　　輸出級經(jīng)過改進，可由熒光燈改為驅(qū)動LED。它也不需給負載預(yù)熱或觸發(fā)，因此可把諧振回路改為一個串聯(lián)的L-C-LED類型 （而不是熒光燈慣用的串聯(lián)L和并行R-C）。由于輸出電流屬于交流電，因此該電路中加入了一個全波橋式整流器，使電流在每個高頻開關(guān)周期內(nèi)都會流經(jīng)LED。

　　交流電流檢測仍然通過一個置于整流器底部和COM之間的電阻器來進行，并且對全波整流LED電流幅值直接進行測量。測量結(jié)果會通過電阻器RFB和電容器CFB耦合于DIM引腳。IRS2530D的調(diào)光控制環(huán)路會連續(xù)調(diào)節(jié)半橋開關(guān)電路，確保標(biāo)稱有效值LED電流保持于生產(chǎn)商所定的規(guī)格內(nèi)，使LED電流的振幅得到適當(dāng)調(diào)節(jié)。假如LED電流下降，環(huán)路就會降低頻率，從而提高諧振回路的增益，增強LED電流。假如LED電流上升，環(huán)路就會提高頻率，從而減少諧振回路的增益，減弱LED電流。調(diào)光控制環(huán)路可針對交流線路、負載和溫度的變化保持LED電流恒定，也用于一或多個串聯(lián)LED上。

　　實驗結(jié)果

　　實驗結(jié)果顯示了在正常啟動和工作狀態(tài)下的波形（見圖6及圖7）。

　　圖6 啟動中的LED電流（高1A/div）、DIM引腳電壓（中1V/div）及VCO引腳電壓（低2V/div），時標(biāo)=50msec/div

　　圖7 啟動中的LED電流（高1A/div），D4:A-D3:A橋式整流器電壓（中25V/div） 及VS引腳電壓（低100V/div），時標(biāo)=5μsec/div

　　當(dāng)交流線路電壓首次導(dǎo)入，VCC會充電，啟動IC。輸出頻率由IC的最高頻率開始，一直掃落至串聯(lián)L-C-LED諧振電路的諧振頻率。頻率掃描由VCO引腳上的電容器CVCO負責(zé)。LED電流（通過電阻器RCS來測量）隨著頻率的下降而增加，使DIM引腳上的交流信號的振幅增加，直到交流信號的谷值到達COM（見圖6）。

　　然后集成電路便進入調(diào)光模式，調(diào)光環(huán)路生效。調(diào)光環(huán)路會連續(xù)調(diào)節(jié)輸出頻率，確保DIM引腳上的交流信號的谷值保持于COM，LED電流的振幅保持不變。LED電流（見圖7）是全波整流，工作于半橋中點（VS引腳）的兩倍頻率。基于電路的諧振，LED電流的波形呈正弦曲線。這樣便能夠把電流峰值因素保持于低水平，無需過量的峰值電流也可實現(xiàn)標(biāo)稱LED有效值電流。

　　IRS2530D還包含可針對所有交流線路和負載故障情況提供完善保護的額外電路，包括交流電源掉電、開路（無負載或LED故障）及短路故障情況。

　　結(jié)語

　　本文介紹的這款新型離線LED控制電路的結(jié)構(gòu)十分簡潔，可針對LED的需要提供良好的恒流調(diào)節(jié)功能，又可輕松擴展，適應(yīng)不同的輸入電壓范圍和LED電流水平，而且能夠靈活地把不同數(shù)量的LED連接到輸出。IRS2530D可以成功驅(qū)動熒光燈和LED應(yīng)用電路。該IC在低成本的8引腳解決方案中集成了完整的控制功能，控制環(huán)路無論在任何交流線路和負載情況下，都可以提供良好的恒流性能。集成電路更能夠偵測所有故障狀態(tài)，然后安全地把電路停止。假如需進一步改進電路，可以考慮加入LED的脈沖寬度調(diào)制開/關(guān)調(diào)光功能。