離線LED控制電路的實(shí)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(dú)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(diǎn)上一個十分細(xì)小的空間內(nèi)產(chǎn)生，所以只能形成點(diǎn)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(yùn)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實(shí)現(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(fù)載故障，為電路提供完善的保護(hù)。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(shí)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(jìn)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(diǎn)燃起來，電流也會開始流動，使芯片進(jìn)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(shí)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?fù)湓O(shè)計，用于產(chǎn)生通過一串LED所需的恒定電流。這些拓?fù)涓饔袃?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。基于上述原因，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(jìn)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(kuò)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(jìn)，可由熒光燈改為驅(qū)動LED。它也不需給負(fù)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(jìn)行，并且對全波整流LED電流幅值直接進(jìn)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(qiáng)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(fù)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(shí)驗結(jié)果

實(shí)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(fù)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(dá)COM(見圖6)。

然后集成電路便進(jìn)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(diǎn)(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(shí)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(fù)載故障情況提供完善保護(hù)的額外電路，包括交流電源掉電、開路(無負(fù)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(kuò)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(fù)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(jìn)一步改進(jìn)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。