羅姆驅(qū)動(dòng)器IC解決LED照明難題

前言

        如今從家庭到工業(yè)，人們的環(huán)保意識(shí)都已廣泛提高，因此具有節(jié)能效果的LED照明燈正在作為原有照明器具（白熾燈泡、熒光燈等）的替代品而迅速普及。

        作為LED照明，它需要有能夠驅(qū)動(dòng)從燈泡等小型照明的小功率產(chǎn)品到路燈等大型照明的大功率產(chǎn)品電源。而且，這種電源應(yīng)當(dāng)與原有照明器具所使用的“可控硅調(diào)光”、LED照明專用的“PWM調(diào)光”以及可以用體電阻調(diào)光的“線性調(diào)光”等多種調(diào)光方式兼容。為使LED穩(wěn)定地點(diǎn)亮、調(diào)光，需要使用LED驅(qū)動(dòng)器IC,而且要求這種驅(qū)動(dòng)器IC能與功率和調(diào)光方式等五花八門的電源相適應(yīng)。

羅姆LED照明用驅(qū)動(dòng)器IC的特點(diǎn)

        羅姆為了適應(yīng)上述市場(chǎng)需求而在進(jìn)行LED照明用驅(qū)動(dòng)器IC的開發(fā)。為使LED保持一定的亮度點(diǎn)燈，需要有進(jìn)行恒流控制的LED驅(qū)動(dòng)器IC。通常，是從交流電源開始進(jìn)行恒流控制，所以使用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器方式（圖1）。
 


                                            [圖1]普通的照明用電源模塊

        傳統(tǒng)方式中，輸入電壓變動(dòng)和輸出電壓變動(dòng)大，須根據(jù)應(yīng)用條件重新設(shè)計(jì)電源模塊。如果輸入電壓變動(dòng)大，則交流電壓頻率（全波整流后為100Hz～120Hz）中帶紋波的輸入電壓會(huì)使得LED的亮度發(fā)生閃爍。為了穩(wěn)定輸入電壓，必須在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)采取措施。如果輸出電壓變動(dòng)大，就必須針對(duì)每一個(gè)光源的輸出電壓（LED的燈數(shù)）變更外接元器件的常數(shù)，設(shè)計(jì)出許多種電源模塊來，從而增加了設(shè)計(jì)工作量（圖2）。而且，由于LED的Vf高低不一，也會(huì)致使LED照明器具之間出現(xiàn)亮度不統(tǒng)一的情況。

                                                            [圖2] 輸入電壓特性
 


                                                             [圖2] 輸出電壓特性
 
        開關(guān)穩(wěn)壓器用開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間之比來控制LED電流值。傳統(tǒng)方式的一般控制方法，是用線圈的峰值電流來決定開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。此方法利用輸入、輸出電壓的變化來改變線圈電流的梯度，其結(jié)果是LED電流值也變化。（圖3－1）

                                  [圖3－1] LED電流波形（峰值檢測(cè)控制）

 

                                       [圖3－2] LED電流波形（平均值控制）

        要解決這一問題，應(yīng)不用峰值電流來控制LED電流，而須用LED電流的平均值來控制（平均電流控制）。但是，平均電流控制用一般情況下使用的模擬電源控制方式難于實(shí)現(xiàn)，外接元器件數(shù)量有增加的趨勢(shì)。這次開發(fā)的BD555AKFV采用數(shù)字電源控制技術(shù)，不增加外接元器件的數(shù)量，只需檢測(cè)線圈的電流即可解決上述課題。（圖4）

                 [圖4] 帶可控硅調(diào)光的LED照明用驅(qū)動(dòng)器IC BD555AKFV 框圖
 
        由于采取數(shù)字電源控制，與輸入、輸出電壓無關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED電流的平均值進(jìn)行控制（圖2)。它是對(duì)線圈電流進(jìn)行采樣（A/D轉(zhuǎn)換）從而數(shù)字化，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值電流的運(yùn)算以使LED電流的平均值保持恒定。然后，將此運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，反饋到檢測(cè)峰值電流的比較電路（圖3-2)。羅姆使用這種方法從而完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，這屬于業(yè)界首創(chuàng)。

        雖然開關(guān)電源采用的數(shù)字電源控制方式備受關(guān)注，但因?yàn)橥ǔＲ褂肈SP而存在“電路規(guī)模大（成本高）”、“功耗大”等問題，難以應(yīng)用于LED小型照明。BD555AKFV特別針對(duì)LED照明功能開發(fā)出專用邏輯，解決了數(shù)字電源的弱點(diǎn)——電路、功耗增大的問題。

        數(shù)字電源控制的特點(diǎn)是除了平均電流控制功能之外還可以有效地利用調(diào)光功能。“BD555AKFV”與“可控硅調(diào)光”、“PWM調(diào)光”和“線性調(diào)光”3種調(diào)光方式兼容，能夠適應(yīng)具備多種調(diào)光功能的照明器具。

帶可控硅調(diào)光功能的LED照明用驅(qū)動(dòng)器IC

        業(yè)內(nèi)存在讓LED照明燈與原有照明器具所用的調(diào)光器組合使用的需求。原有的調(diào)光器是使用可控硅等開關(guān)元件截取交流輸入電壓的一部分，根據(jù)它的相位角來調(diào)節(jié)亮度的調(diào)光方式，被稱為可控硅調(diào)光器。可控硅調(diào)光器在可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)必須使保持電流持續(xù)流通；一旦保持電流下降，可控硅便關(guān)斷了。由于LED照明燈與原有照明燈相比，功耗極低，所以使可控硅的保持電流下降，調(diào)光器就往往會(huì)因此而不定期關(guān)斷從而發(fā)生閃變（閃爍）現(xiàn)象。（圖5）


                                       [圖5] 可控硅誤動(dòng)作時(shí)的波形
 
        為了防止出現(xiàn)這種閃爍現(xiàn)象，需要有能夠確保保持電流恒定的泄放電路，各制造廠商采用各種各樣的方式構(gòu)成泄放電路。BD555AKFV內(nèi)置有羅姆獨(dú)創(chuàng)的泄放電路，采取了避免無謂損失的措施。但是，即使裝載了確保保持電流恒定的泄放電路，還是有不能防止可控硅調(diào)光器引發(fā)誤動(dòng)作的情況出現(xiàn)。其原因是因?yàn)榭煽毓杞油〞r(shí)使輸入電容充電的沖擊電流會(huì)造成大的瞬變，保持電流瞬間下降從而造成可控硅關(guān)斷（圖6）。

                                                     [圖6] 可控硅接通時(shí)的順變電流
 
        采取防止瞬變的措施會(huì)致使效率下降，此課題不是可以簡(jiǎn)單解決的。羅姆對(duì)突然發(fā)生的瞬變所采取的應(yīng)對(duì)方法是利用數(shù)字控制避免產(chǎn)生閃變。傳統(tǒng)方式是把經(jīng)過電容變成平滑的可控硅相位角檢測(cè)電壓輸入到調(diào)光解碼器。電容雖然有濾除瞬變?cè)斐傻恼`動(dòng)作的效果，但無法完全消除100Hz/120Hz低頻區(qū)發(fā)生的誤動(dòng)作，還是會(huì)有閃變。BD555AKFV在IC內(nèi)部裝置有數(shù)字濾波器，解決了上述問題。BD555AKFV對(duì)相位角進(jìn)行采樣，將數(shù)字的樣值存入存儲(chǔ)器。在調(diào)節(jié)調(diào)光亮度之前使樣值通過特別針對(duì)可控硅調(diào)光而設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器，完全屏蔽可控硅調(diào)光器突然發(fā)生的誤動(dòng)作生成的差錯(cuò)值，防止閃變。（圖7）

                   [圖7] 可控硅調(diào)光器誤動(dòng)作時(shí)BD555AKFV的LED電流波形

 今后

        羅姆開發(fā)出最適合形式多樣的LED照明器具的LED驅(qū)動(dòng)器IC,有助于LED照明的普及。以這次介紹的數(shù)字電源技術(shù)與調(diào)光技術(shù)為主，今后還打算利用各種技術(shù)，形成內(nèi)置功率改善電路等品種豐富可供用戶根據(jù)各種不同用途進(jìn)行選擇的產(chǎn)品線。