LED照明的直流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)新方法

本文描述了一種在直流照明系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)LED的新方法，這種方法能提供95%的效率、更長(zhǎng)的使用壽命以及更高的抗電氣和機(jī)械沖擊力，同時(shí)對(duì)采用ZXSC300系列DC-DC控制器的實(shí)際電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算和分析。

作為鹵素?zé)舻蛪赫彰鞯囊环N替代技術(shù)，LED照明日益流行。與鹵素?zé)襞莶煌氖?，LED沒有效率低、可靠性差以及使用壽命短等問題的困擾。本文描述了一種在直流照明系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)大功率LED的新方法，這種解決方案能提供95%的效率、更長(zhǎng)的使用壽命，并能承受更高的電氣和機(jī)械沖擊。

圖1：使用降壓模式DC-DC轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動(dòng)。

在圖1所示的電路中，ZXSC300系列DC-DC控制器驅(qū)動(dòng)以降壓模式工作的外部開關(guān)。表1列出了12V電源系統(tǒng)的材料清單。通過增加R2的值可提供更高的系統(tǒng)電壓，例如，要得到24V的電壓僅需將R2值改為2.2kΩ，同時(shí)電容C1也須有更高的額定電壓，電路基本工作原理如下：

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電流流過LED、電容C2和電感。當(dāng)R1兩端的壓降達(dá)到I_sense引腳的閾值電壓時(shí)，Q1關(guān)斷并保持一個(gè)固定時(shí)間，電感中的能量流過D1和LED。經(jīng)過這個(gè)固定時(shí)間后，Q1重新導(dǎo)通，如此循環(huán)往復(fù)。

電路工作原理分析

下面對(duì)電路的工作原理進(jìn)行更詳細(xì)地分析，以得到電路參數(shù)及與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算。下面從開關(guān)Q1在一個(gè)固定時(shí)間T_ON內(nèi)導(dǎo)通開始分析。ZXSC310將Q1導(dǎo)通直至它在I_sense引腳上檢測(cè)到19mV電壓(標(biāo)稱值)，于是達(dá)到此閾值電壓時(shí)Q1上的電流為19mV/R1，稱為I_PEAK。

當(dāng)Q1導(dǎo)通，電流從電源流出，流過C1和串聯(lián)LED。假設(shè)LED正向壓降為V_F，則剩下的電源電壓將全部落在L1上，稱為V_L1，并使L1上的電流以di/dt=V_L1/L1的斜率上升。其中di/dt單位為安培/秒、V_L1的單位為伏、L1的單位為亨。

Q1 與 R1上的壓降忽略不計(jì)，因?yàn)镼1的導(dǎo)通電阻RDS(ON)很小，且R1上的壓降總是小于19mV。19mV是Q1的關(guān)斷閾值電壓，依據(jù)I_sense引腳的閾值電壓設(shè)置。

V_IN=V_F+V_L1 T_ON=I_PEAKxL1/ V_L1

圖2：12V系統(tǒng)的典型性能曲線。

由于將V_IN減去LED正向壓降可得到L1兩端的電壓，故可算出T_ON。因此，如果L1較小，則對(duì)于同樣的峰值電流I_PEAK及電源電壓V_IN，T_ON 亦較小。請(qǐng)注意，在電感電流上升到I_PEAK的過程中，電流流過LED，因此LED上的平均電流等于T_ON上升期間及T_OFF下降期間的電流之和。

現(xiàn)在看一下Q1關(guān)斷期間(T_OFF)的情況。ZXSC300系列DC-DC控制器的T_OFF在內(nèi)部被固定為1.7us(標(biāo)稱值)，需要注意的是，如果用該值來計(jì)算電流斜坡，則其范圍最小為1.2μs，最大為3.2μs。

為盡量減少傳導(dǎo)損耗及開關(guān)損耗，T_ON不能比T_OFF小太多。過高的開關(guān)頻率會(huì)造成較高的dv/dt，因此建議ZXSC300和310的最高工作頻率為200 kHz。假設(shè)固定T_OFF為1.7μs，則T_ON最小值為5μs－1.7μs=3.3μs。然而這不是一個(gè)絕對(duì)限制值，這些器件已可在2至3倍該頻率下工作，但轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低。

在T_OFF期間，儲(chǔ)存在電感中的能量將被轉(zhuǎn)移到LED，只在肖特基二極管上有一些損耗。儲(chǔ)存在電感中的能量為： EQ1

系統(tǒng)可以以連續(xù)或非連續(xù)模式工作，兩者之間的差別及對(duì)平均電流的影響將在后面部分中解釋。

如果T_OFF恰好是電流達(dá)到零所需的時(shí)間，則LED中的平均電流將為I_PEAK/2。實(shí)際上，電流可能會(huì)在T_OFF之前達(dá)到零，此時(shí)平均電流將小于I_PEAK/2，因?yàn)樵谶@個(gè)周期里有一段時(shí)間LED的電流為零，這稱為“非連續(xù)”工作模式。

如果經(jīng)過1.7μs后電流沒有達(dá)到零，而是下降到I_MIN，則稱器件進(jìn)入“連續(xù)”工作模式。LED電流將在I_MIN與I_PEAK之間上升和下降(di/dt斜率可能不同)，此時(shí)平均LED電流為I_MIN與I_PEAK的平均值。

圖3：24V系統(tǒng)的典型性能曲線。

通過用實(shí)際值進(jìn)行計(jì)算，上面的原理可運(yùn)用于實(shí)際電路設(shè)計(jì)。例如，已知輸出電壓穩(wěn)定的12V直流電源以及3個(gè)功率為1W的LED(需要340mA工作電流)，即可參考圖1所示的電路及表1列出的材料清單進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可工作在11V至18V電源電壓范圍內(nèi)。

電源輸入電壓=V_IN=12V，LED正向壓降=V_F=9.6V，V_IN =V_F+V_L1。因此，V_L1=12V-9.6V=2.4V。

峰值電流=V_sense/R1=34mV/50m(=680mA，這里R1就是R_sense。

T_ON=I_PEAKxL1/V_L1

在上述等式中，近似認(rèn)為在整個(gè)電流上升與下降期間LED正向壓降不變。事實(shí)上它會(huì)隨電流升高而增大，但這些公式使設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果在實(shí)際電路所用器件的容差范圍內(nèi)。此外，V_IN與V_F之間的差值小于它們中的任何一個(gè)，所以6.2μs的上升時(shí)間將基本上取決于這些電壓值。

值得注意的是，對(duì)于9.6V的LED正向壓降以及300mV的肖特基二極管正向壓降來說，從680mA下降到零的時(shí)間為：

由于T_OFF一般為1.7μs，所以電流有足夠的時(shí)間降到零。然而，盡管1.5μs已相當(dāng)接近1.7μs，因?yàn)槠骷娜莶睿€圈電流可能不能降到零。但這不是什么大問題，因?yàn)闅堄嚯娏鲿?huì)很小。需要注意的是，由于對(duì)峰值電流的測(cè)量及關(guān)斷，不可能產(chǎn)生在具有固定T_ON時(shí)間的轉(zhuǎn)換器里發(fā)生的危險(xiǎn)的“電感階躍”(inductor staircasing)問題。由于電流可能永遠(yuǎn)都不會(huì)超過I_PEAK，所以即使電流從一個(gè)有限值開始增長(zhǎng)(即連續(xù)模式)，也不會(huì)超過I_PEAK，于是LED電流將近似等于680mA與0的平均值，即340mA。它并不是嚴(yán)格意義上的平均值，因?yàn)橛?00ns的時(shí)間里電流為零，但與I_PEAK及器件容差相比這非常小。

圖2與圖3分別描述了12V與24V系統(tǒng)的性能。

電路設(shè)計(jì)計(jì)算

在T_ON期間(假設(shè)為非連續(xù)工作模式)，電源的輸入功率等于V_IN×I_PEAK/2，因而電源的平均輸入電流等于該電流乘以T_ON相對(duì)于整個(gè)周期時(shí)間的比值。

從上式可看出平均電源電流是如何在較低電壓下隨著T_ON相對(duì)于固定的1.7μs的增加增大。這是符合功率原理的，因?yàn)楫?dāng)電源電壓較低時(shí)，固定(或近似固定)的LED功率需要更多電源電流才能獲得相同功率。

表1：12V系統(tǒng)的材料清單。

儲(chǔ)存在電感中的能量等于從電感轉(zhuǎn)移到LED的能量(假設(shè)為非連續(xù)工作模式)，為： EQ1

因此，當(dāng)輸入電壓與輸出電壓的差別變得更大時(shí)，從電感轉(zhuǎn)移到LED的能量比LED直接從電源獲取的能量要更多些。如果能計(jì)算出使電流正好在1.7μs時(shí)達(dá)到零的電感值L1及峰值電流I_PEAK，則LED的功率將不會(huì)太依賴于電源電壓，因?yàn)榇藭r(shí)LED中的平均電流總是近似為I_PEAK/2。

隨著電源電壓的增加，達(dá)到I_PEAK所需的T_ON將減小，但LED的功率基本恒定，且在T_ON期間只吸取從零至I_PEAK的電源電流。電源電壓越高，T_ON占整個(gè)周期的比例越小，所以較高電源電壓時(shí)的平均電源電流亦較小，這樣保持了功率(和效率)的恒定。

肖特基二極管正向壓降會(huì)使效率降低。例如，假設(shè)LED的V_F為6V，肖特基二極管的V_F為0.3V，則從電感轉(zhuǎn)移過來的能量的效率損失為5%，即肖特基二極管正向壓降與LED正向壓降之比。在T_ON期間，肖特基二極管不在電流回路中，故不會(huì)引入損耗，因此整個(gè)效率損失比取決于T_ON與T_OFF之比。對(duì)于T_ON占整個(gè)周期的大部分的低電源電壓來說，由肖特基二極管引入的損耗并不大。當(dāng)LED電壓較高(多個(gè)LED串聯(lián))時(shí)，肖特基二極管引入的損耗也不大，因?yàn)榇藭r(shí)肖特基二極管正向壓降在整個(gè)壓降所占的比例將更小。

本文小結(jié)

本文的電路設(shè)計(jì)顯示了如何在鹵素?zé)襞萏娲鷳?yīng)用中使用高效率電路驅(qū)動(dòng)LED。盡管LED擁有比鹵素?zé)襞莞叩某跏汲杀?，但總成本比鹵素?zé)襞莸突蛘呦喈?dāng)。在一些很難進(jìn)行替代或替換費(fèi)用昂貴的應(yīng)用中，LED可能是唯一的具有成本效益的解決方案。隨著LED照明輸出效率逐步提高以及成本降低，使用LED照明的趨勢(shì)將會(huì)更加明顯。

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