基于交/直流電源的LED驅(qū)動電路設(shè)計實例

根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會采用不同的電源來供電，如交流線路、太陽能板、12 V汽車電池
電池

　　電池是一種能量轉(zhuǎn)化與儲存的裝置，它通過反映將化學(xué)能或者物理能轉(zhuǎn)化為電能。電池即一種化學(xué)電源，它由兩種不同成分的電化學(xué)活性電極分別組成正負(fù)兩極浸泡再能提供媒體傳導(dǎo)作用的電解質(zhì)中，當(dāng)連接在某一外部載體上時，通過轉(zhuǎn)換其內(nèi)部的化學(xué)能來提供電能。 [全文]

、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。

　　一、采用交流離線電源為LED供電

　　在采用交流離線電源為LED供電的應(yīng)用中，涉及到眾多不同的應(yīng)用場合，如電子鎮(zhèn)流器、熒光燈替代、交通信號燈、LED燈泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標(biāo)志等。在這些從交流主電源驅(qū)動大功率LED的應(yīng)用中，有兩種常見的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，即在需要電流隔離(galvanic isolation)時使用反激轉(zhuǎn)換器，或在不需要隔離時使用較為簡單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在反激轉(zhuǎn)換器方面，根據(jù)輸出功率的不同，可以采用安森美半導(dǎo)體的不同反激轉(zhuǎn)換器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCP1013適合于功率高達(dá)5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設(shè)計應(yīng)用，NCP1014/1028可以提供高達(dá)8 W的連續(xù)輸出功率，而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應(yīng)用。

　　以NCP1014/1028為例，這是安森美半導(dǎo)體推出的離線式PWM開關(guān)
開關(guān)

　　開關(guān)是最常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無法通過。在各種電子設(shè)備、家用電器中都可以見到開關(guān)。 [全文]

穩(wěn)壓器，具有集成的700 V高壓MOSFET，均采用350 mA/22 Vdc變壓器
變壓器
　　變壓器（Transformer）是利用互感原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器是變換電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。它由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。 [全文]

設(shè)計及700 mA/17 Vdc配置，輸入電壓范圍為90至265 Vac，具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動減少電磁干擾(EMI)信號以及內(nèi)置熱關(guān)閉保護(hù)等特性，適合于LED鎮(zhèn)流器、建筑物照明、顯示器背光
背光
　　屏幕的背景光。常被用于LCD顯示上，其光源可能是白熾燈泡、電光面板(ELP)、發(fā)光二極管(LED)、冷陰極管(CCFL)等。電光面板提供整個表面均勻的光，而其他的背光模組則使用散光器從不均勻的光源中來提供均勻的光線。 　　背光可以是任何一種顏色，單色液晶通常有黃、綠、藍(lán)、白等背光。而彩色顯示采用白色白光，因其涵蓋最多色光。 [全文]

、標(biāo)志和通道照明及作業(yè)燈等應(yīng)用。NCP1014/1028的應(yīng)用設(shè)計示意圖如下面的圖1所示。值得一提的是，這設(shè)計具有開路輸出保護(hù)功能，會在開路時將輸出鉗位至24 V電壓。在這設(shè)計中，電流和開路電壓能夠通過簡單地改變電阻
電阻
　　電阻，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。 [全文]

/齊納二極管
二極管
　　二極管又叫半導(dǎo)體二極管、晶體二極管，是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個方向傳送電流，由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)構(gòu)成，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 [全文]

組合來調(diào)整。值得一提的是，如果針對230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器，則NCP1014能夠提供高達(dá)19 W的功率，NCP1028能夠提供高達(dá)25 W的功率。

　　圖1：安森美半導(dǎo)體離線式第二代LED驅(qū)動器NCP1014/1028的應(yīng)用示意圖[!--empirenews.page--]

　　在照明應(yīng)用中，如果輸出功率要求高于25 W，LED驅(qū)動器則面臨著功率因數(shù)校正(PFC)的問題。例如，歐盟的國際電工委員會(IEC)針對照明(功率大于25 W)的要求中具有針對總諧波失真(THD)的規(guī)定。而在美國，能源部“能源之星”項目固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中對PFC帶有強制性要求(而無論是何種功率等級)，即針對住宅應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.7，而針對商業(yè)應(yīng)用部分要求功率因數(shù)高于0.9。這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿遵守的標(biāo)準(zhǔn)，并非強制性要求，但有些應(yīng)用可能需要良好的功率因數(shù)。例如，公營事業(yè)機構(gòu)將推動LED的大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用在公用設(shè)施級別的LED可望擁有較高功率因數(shù)；而且公營事業(yè)機構(gòu)擁有或提供LED街燈服務(wù)時，LED是否具有較高功率因數(shù)(通常大于0.95)取決于公營事業(yè)機構(gòu)的意愿，如果他們愿意，則相應(yīng)的LED驅(qū)動解決方案必須滿足這方面的要求。

　　圖2：需要PFC的LED驅(qū)動應(yīng)用中不同架構(gòu)對比

　　在這類可能需要采用PFC控制器的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化，且認(rèn)證簡單，但在總體能效方面會有折衷，如假設(shè)交流-直流(AC-DC)段的能效為87%至90%，直流-直流(DC-DC)段能效為85%至90%，則總能效僅為74%至81%。隨著LED技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，這種架構(gòu)預(yù)計將轉(zhuǎn)化為更加優(yōu)化、更高能效的方案。根據(jù)要求的不同，有多種可供選擇的方案，如：PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、NCP1651/NCP1652單段式PFC方案。

　　另一方面，如上所述，在不需要隔離的應(yīng)用中，可以采用較為簡單的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)所使用的電感比變壓器小得多，而且只需要很少的元件來實現(xiàn)這種解決方案。這種架構(gòu)采用的是峰值電流控制(PCC)模式，工作在深度連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。這種架構(gòu)具有多種優(yōu)勢，如可以消除使用大電解輸出電容、具有“良好”穩(wěn)流的簡單控制原理，以及能夠充分利用安森美半導(dǎo)體的動態(tài)自供電(DSS)技術(shù)能力來直接從交流線路為驅(qū)動器供電。圖3顯示的是安森美半導(dǎo)體NCP1216 PWM電流模式控制器的應(yīng)用設(shè)計示意圖。

　　圖3：采用峰值電流控制的NCP1216非隔離型離線式LED驅(qū)動應(yīng)用[!--empirenews.page--]

　　它充分利用高壓工藝技術(shù)的優(yōu)勢，從交流主電源直接為控制器供電，進(jìn)一步簡化了電路。這設(shè)計適合120 Vac條件，若要用于230 Vac條件，則需要變更少許元件，如功率FET和電容。由于這是一種非隔離型AC-DC設(shè)計，所以存在高壓。而且這是一項浮動設(shè)計，IC和LED并非對地參考。在對器件進(jìn)行供電之前，LED必須連接至電路板。

　　對于這類降壓控制方式而言，當(dāng)控制的LED數(shù)量減少時，它的一項局限就會出現(xiàn)，因為這時占空比會變得極窄。而且開關(guān)控制器在電流被感測到之前會有200至400 ns的前沿消隱電路。在這種情況下，必須降低開關(guān)頻率來適應(yīng)正常操作，并通過半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中，基本架構(gòu)能夠通過元件修改來輕易擴(kuò)展，從而也能驅(qū)動更長的LED串。

　　二、采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為LED供電

　　有一系列高亮度LED應(yīng)用工作在8至40 VDC范圍的電源，這些電源包括鉛酸電池、12-36 VDC適配器
適配器

　　適配器通俗一點說就是一種起中間連接作用的配件，使用這種配件的作用在于簡化主機的硬件設(shè)計，增加主機的通用性和靈活性。 [全文]

、太陽能電池以及低壓的12 和24 VAC交流系統(tǒng)。這類的照明應(yīng)用眾多，如活動式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽能供電照明，以及陳列柜照明等。

　　表1：寬輸入范圍的DC-DC LED應(yīng)用

　　即使目標(biāo)是采用恒定電流驅(qū)動LED，首先要理解的事件就是應(yīng)用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結(jié)溫度范圍、驅(qū)動電流和制造容限決定。憑借這些信息，就可以選擇恰當(dāng)?shù)木€性或開關(guān)電源
開關(guān)電源

　　開關(guān)電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間 [全文]

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導(dǎo)體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器，它集成1.5 A開關(guān)，可以設(shè)置成降壓、升壓、反轉(zhuǎn)(降壓-升壓)/單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40 V，具有235 mV的低反饋電壓，工作頻率可調(diào)節(jié)，最高250 kHz。其它特性包括：能進(jìn)行逐周期電流限制、不需要控制環(huán)路補償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數(shù)字PWM調(diào)光能力、發(fā)生磁滯時內(nèi)部熱關(guān)閉等。

　　圖4：安森美半導(dǎo)體NCP3065在LED恒流降壓控制應(yīng)用中的示意圖[!--empirenews.page--]

　　為LED提供保護(hù)

　　如前所述，LED是一種使用壽命極長的光源
光源

　　光源產(chǎn)品具有LED顯示、體積小、重量輕、易攜帶、電池供電、性能價格比高等特點，直觀快速，是一種使用極其簡單方便的測試工具，產(chǎn)品經(jīng)過防震防潮處理，可以在野外惡劣環(huán)境下長時間工作。 [全文]

(可長達(dá)5萬小時)。除了需要針對具體的LED應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動解決方案，還需要為LED提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，因為偶爾LED也會失效。其原因多種多樣，可能是因為LED早期失效，也可能是因為局部的組裝缺陷或是因瞬態(tài)現(xiàn)象導(dǎo)致失效。必須對這些可能的失效提供預(yù)防措施，特別是因為某些應(yīng)用屬于關(guān)鍵應(yīng)用(故障停機成本高)，或是安全攸關(guān)的應(yīng)用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機跑道等)，或是在地理上難于接近的應(yīng)用(維護(hù)困難)等。

　　在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700 LED分流保護(hù)解決方案。圖5是這種分流保護(hù)解決方案的應(yīng)用及原理示意圖。

　　圖5：安森美半導(dǎo)體NUD4700 LED開路分流保護(hù)器的應(yīng)用示意圖

　　在LED正常工作時，泄漏電流僅為近100 μA；而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時，LED就會開路，這時NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活，所帶來的壓降僅為1.0 V，將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V)，如果散熱處理恰當(dāng)，也支持大于1 A電流的操作。

　　總結(jié)

　　相較于白熾燈等傳統(tǒng)光源，LED具有能效高、壽命長、指向性好等眾多優(yōu)勢，越來越受業(yè)界青睞用于通用照明市場。而LED在通用照明市場的應(yīng)用涉及多方面的要求，需要從系統(tǒng)的角度去考慮，如光源、電源轉(zhuǎn)換、LED控制和驅(qū)動、散熱和光學(xué)等。