LED驅(qū)動(dòng)電源非隔離技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

伴隨著節(jié)能減排的新生活理念逐漸深入人心，節(jié)能減排是目前全球各國(guó)日益注重的一個(gè)話題，因高效節(jié)能，LED作為新光源越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。本文章主要介紹關(guān)于小功率段1-30W之間的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用非隔離技術(shù)方面的介紹。

一、阻容降壓

1. 阻容降壓的原理和應(yīng)用

電容降壓實(shí)際上是利用容抗限流，而電容器實(shí)際上起到一個(gè)限制電流和動(dòng)態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色。

2. 采用電容降壓時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)

根據(jù)負(fù)載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當(dāng)?shù)碾娙?，而不是依?jù)負(fù)載的電壓和功率，限流電容必須采用無(wú)極性電容，不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在400V以上，最理想的電容為聚丙烯金屬薄膜電容。 電容降壓不能用于大功率條件，一般用于5W以下小功率應(yīng)用場(chǎng)合，電容降壓不適合動(dòng)態(tài)負(fù)載條件，電容降壓不適合容性和感性負(fù)載，在LED電源的驅(qū)動(dòng)方面應(yīng)用上適合單電壓應(yīng)用。

3. 阻容降壓式簡(jiǎn)易電源的基本電路如(圖1)

C1為降壓電容器，D1，2，3，4為橋式整流二極管，ZD1是穩(wěn)壓二極管，R1為關(guān)斷電源后C1的電荷泄放電阻。

4. 器件選擇

電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先測(cè)定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值，然后參考示例來(lái)選擇降壓電容器的容量。因?yàn)橥ㄟ^(guò)降壓電容C1向負(fù)載提供的電流Io，實(shí)際上是流過(guò)C1的充放電電流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，則流經(jīng)C1的充、放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io小于C1的充放電電流時(shí)，多余的電流就會(huì)流過(guò)穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax小于Ic-Io時(shí)易造成穩(wěn)壓管燒毀。為保證C1可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓。泄放電阻R1的選擇必須保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。

5. 實(shí)際參數(shù)計(jì)算方法

已知C1為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負(fù)載的最大電流。

C1在電路中的容抗Xc為：

Xc=1/(2πfC)=1/(2*3.14*50*0.33*10-6)=9.65K

流過(guò)電容器C1的充電電流(Ic)為：

Ic=U/Xc=220/9.65=22mA

二、線性驅(qū)動(dòng)電路

1. 典型的電路如(圖2)

2. 工作原理

R3為恒流電阻，利用R3的壓降來(lái)控制TL432的開(kāi)關(guān)，在利用432的開(kāi)關(guān)來(lái)控制Q1的導(dǎo)通從而達(dá)到輸出恒流的目的，選擇432的目的是利用432基準(zhǔn)為1.21V來(lái)降低在R3上的損耗。電流恒流值之為1.21/R3，R1選擇根據(jù)Q1的放大倍數(shù)來(lái)選取。

3. 應(yīng)用場(chǎng)合注意事項(xiàng)

此電路建議應(yīng)用在單電壓輸入，輸出電流小電流的LED電源驅(qū)動(dòng)上，比如球泡燈，T管等，一般建議輸出電流在100mA下。同時(shí)輸出電壓越接近輸入會(huì)比較好，這樣避免Q1的的壓降過(guò)大而造成損耗過(guò)大，效率較低，因此LED的使用也最好串聯(lián)使用。

三、恒流二極管驅(qū)動(dòng)電路

1. 典型的電路如(圖3，圖4)

2. 工作原理

理想的恒流源是一種內(nèi)阻為無(wú)窮大的器件，不論其兩端電壓為何值，其流經(jīng)的電流永遠(yuǎn)不變。當(dāng)然這種器件是不可能存在的。實(shí)際的恒流二極管相當(dāng)于一個(gè)在一定工作電壓范圍內(nèi)例如25-100V其電流恒定為某一值例如20mA。其等效電路如圖5所示

其內(nèi)阻為Z，并聯(lián)的電容大約為4-10pF。其典型的伏安特性如圖六所示。

它在某一個(gè)電壓范圍內(nèi)有一段恒流區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間，流經(jīng)的電流幾乎不變，VL為到達(dá)IL的電壓值，IL大約為0.8Ip。

3. 應(yīng)用注意事項(xiàng)

由于恒流二極管需要一定的電壓Vk才能夠進(jìn)入恒流，所以太低的電源電壓是無(wú)法工作的。通常這個(gè)Vk大約在5-10V左右所以大多數(shù)采用電池供電的LED是無(wú)法工作的，最大電流由于恒流二極管的功耗受到限制，所以過(guò)大的電流也是不合適的。例如1W的LED通常需要350mA，恒流二極管就很難提供，目前比較合適的使用場(chǎng)合就是交流市電供電的LED燈具采用很多小功率LED串聯(lián)也就是高壓小電流的情況是最為合適;但是由于恒流二極管的耐壓有一定的限制所以它所能吸收的電源電壓變化也是有限的。就拿100V耐壓的CRD來(lái)說(shuō)用在220V市電電源里都還只能對(duì)付有限的電壓變化。220V經(jīng)過(guò)橋式整流以后它的輸出直流電壓大約為264V。如果市電變化 10%~-15%就相當(dāng)于整流后為290~187V，電壓變化103V，已經(jīng)超過(guò)其耐壓了。因?yàn)長(zhǎng)ED伏安特性的非線性所以很難用公式來(lái)表示?？傊?dāng)市電電壓降低時(shí)LED中的電流就會(huì)隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會(huì)跟著變。典型應(yīng)用電路中圖3為典型的應(yīng)用電路，圖4為加了阻容降壓的應(yīng)用電路為了應(yīng)對(duì)低電壓的輸出場(chǎng)合。

四、采用單極PFC的Buck電路

隨著目前法規(guī)和能效的需求，針對(duì)LED應(yīng)用提出高PF以及適應(yīng)全電壓范圍都能可靠工作的要求，并且朝小型化方面發(fā)展，因此之前的填谷式的PFC電路也需要增加兩個(gè)高壓電容因體積的限制不太適合應(yīng)用。有鑒如此，國(guó)內(nèi)外很多廠商都推出了適應(yīng)球泡燈和T管之類的非隔離電源應(yīng)用驅(qū)動(dòng)方案，下面就以LD7832做為典型介紹。

1. LD7832介紹

LD7832是一款應(yīng)用在Buck電路中采用TM模式控制的高PF值LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，應(yīng)用外圍元件少最大限度的減少了PCB尺寸，保護(hù)功能齊全，滿足各項(xiàng)功能測(cè)試和可靠性應(yīng)用測(cè)試的要求，設(shè)計(jì)調(diào)試相當(dāng)簡(jiǎn)單，最大限度的滿足客戶要求快速設(shè)計(jì)上線量產(chǎn)并滿足法規(guī)的需求，適合在30W以下球泡燈，T管等產(chǎn)品應(yīng)用，為了適應(yīng)不同需要，LD7832有外置MOS和內(nèi)置MOS(2A)不同的版本供選擇。

2. 特點(diǎn)

內(nèi)置600V高壓?jiǎn)?dòng)電路

高PFC功能控制器

高效過(guò)渡模式控制

低成本設(shè)計(jì)應(yīng)用外圍零件最少

電流調(diào)整精度高

寬范圍UVLO(17V開(kāi)，8V關(guān))

Vcc過(guò)電壓保護(hù)功能

ZCD欠壓保護(hù)功能

Cs短路保護(hù)功能

環(huán)路開(kāi)路保護(hù)功能

IC內(nèi)部OTP保護(hù)功能(針對(duì)集成MOSIC)

250mA/-500mA驅(qū)動(dòng)能力

3. 工作原理

LD7832是采用電壓模式控制在邊界條件下工作的固定開(kāi)通時(shí)間的PFC控制器，利用IC的Comp電壓和IC內(nèi)部的Ramp信號(hào)做比較來(lái)決定MOS的開(kāi)通時(shí)間。工作原理波形如下圖7。

在半個(gè)輸入電壓周期內(nèi)，控制TON固定，則電感電流峰值跟隨輸入電壓峰值，且相位相同，實(shí)現(xiàn)高功率因素PF，有如下等式：

LT)t(V)t(IONIN)peak(L=(1)

4. 典型應(yīng)用線路

5. 關(guān)鍵零件參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 Buck電感設(shè)計(jì)

先確定最大占空比，再由輸出LED電壓，電流算出Buck電感量：

D= VLED/VINDC (2)

L=【(1-D)*VLED】/(2*FSW*ILED) (3)

5.2 Iled電流設(shè)定

LD7832內(nèi)置的定電流電壓準(zhǔn)位為0.2V，由此：

ILED=0.2/Rs(4)

5.3 Zcd參數(shù)設(shè)計(jì)

LD7832 ZCD的內(nèi)部電壓鉗位在0.3--5V,IC通過(guò)檢測(cè)ZCD pin電壓來(lái)控制Gate on/off并且確保IC工作在TM模式，同時(shí)此Pin還具有OVP保護(hù)功能，如果IZCD>200uA,ZCD OVP功能啟動(dòng)，加上Rz2的目的是為了減少高電壓輸入時(shí)對(duì)ZCD pin的干擾，誤觸發(fā)ZCD的OVP。建議的Rzcd(RZ1)電阻取值如下式，Rzcd阻值建議至少大于100k：

1.3*uA2005V)(VR)(ZCDOUTZCD(Rz1)_OVP?>(5)---如果沒(méi)有Rz2

1.3*}uA200{5/Rz25V)(VR)(ZCDOUTZCD(Rz1)_OVP ?>(6)-----如果加上Rz2

5.4 Vcc設(shè)計(jì)

參考圖8，Zenor取值根據(jù)VOUT電壓設(shè)計(jì)，一般Vcc取值設(shè)定在16V左右，Zenor=Vout-Vcc，Vcc電容設(shè)定在10-22μF。

5.5 Comp參數(shù)選擇

建議的Comp電容取值范圍在0.22-1μF左右。

5.6 應(yīng)用實(shí)例(輸出24V300mA)

5.6.1實(shí)際的應(yīng)用線路圖

5.6.2 實(shí)際測(cè)試輸出電流精度和效率

測(cè)試條件：

Input：AC90/110/220/264(60HZ)

Output：CV mode:20.4-27.6V

電流精度(%)：

5.6.3 PF和THD

五、總結(jié)

本文主要簡(jiǎn)單闡述了非隔離線路在LED驅(qū)動(dòng)電源上的一些應(yīng)用，相比其他而言，采用Buck PFC的方式可以在全電壓下工作，LED恒流精度基本上不受輸入電壓影響，LED可以以較大的電流工作，并且在全電壓范圍都能實(shí)現(xiàn)較高的效率，工作更加穩(wěn)定可靠，當(dāng)然因?yàn)槭歉哳l開(kāi)關(guān)工作模式帶來(lái)的一些EMC問(wèn)題是不可避免的。