LED照明中的CCR驅動設計

設計LED驅動方案，如果電流大于500 mA，通常使用開關穩(wěn)壓器來驅動LED；若電流介于200 mA至500 mA之間，既可以采用開關穩(wěn)壓器，也可以采用線性穩(wěn)壓器；若電流低于200 mA，則可以采用線性穩(wěn)壓器，或分立器件方案，如電阻驅動電路。

就低于200 mA的低電流LED照明應用的驅動方案而言，線性穩(wěn)壓器或電阻驅動電路各有其優(yōu)劣勢。例如，線性穩(wěn)壓器結構比較簡單，易于設計，提供穩(wěn)流及過流保護，具有外部電流設定點，且沒有電磁兼容性(EMC)問題，但功率耗散和成本較高，而能效較低。電阻型驅動器利用電阻這樣的簡單分立器件來限制LED串電流，是最本最低的LED驅動方案，同樣易于設計，且沒有EMC問題，但這種方案的突出問題是輸入電壓變化時電流隨之變化，從而引起亮度變化，不能保持恒定亮度。

從客戶需求角度出發(fā)，市場上許多客戶需要比線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟、但在性能上又比電阻驅動電路高出許多的驅動方案。在這種背景下，安森美半導體運用正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術，結合自身超強的工藝控制能力，推出一種新的LED驅動方案——NSI45系列雙端線性恒流穩(wěn)壓器(CCR)。

CCR的特性及應用優(yōu)勢

安森美半導體的CCR可以表征為可變電阻。隨著CCR兩端電壓上升，內部阻抗也上升，從而維持接近穩(wěn)流電流(Ireg)規(guī)格的電流。CCR還有負溫度系數(shù)，故在CCR耗散功率(溫度上升)時，內部阻抗增加，使電流減小。

圖1：CCR結合電阻型驅動器與線性穩(wěn)壓器所長。

與電阻型驅動方案相比，安森美半導體的NSI45系列CCR具有突出的優(yōu)勢，例如交流電壓增加時仍保持恒流、達到LED閾值電壓后LED導通無延遲、低電壓時LED保持明亮，以及保持LED免受電壓浪涌影響等。此外，得益于CCR的恒流特性， 客戶可以減少或消除源自不同供應商提供的不同LED的額外成本，降低系統(tǒng)總成本。

在各種低電流應用中，諸如裝飾照明、工作燈、室外照明、景觀照明、柜臺照明和LED平板照明等建筑物和通用照明中，也可以直接采用交流電源供電。交流市電輸入經(jīng)過橋式整流后，只需要保證輸入電壓減去LED串總電壓后所剩下的電壓不超過CCR的最大陽極至陰極電壓(VAK)即可，顯示CCR非常易于用于設計。

CCR應用設計示例

我們既可以采用CCR來開啟新的設計，也可以采用CCR來修改既有設計。本文將主要以新設計為例，探討采用SOT-223封裝的CCR器件在110 Vac及220 Vac均方根(RMS)輸入條件下在交流照明中的應用，簡述其設計過程。由于全波橋整流的脈沖工作，穩(wěn)態(tài)電流為30 mA的CCR在交流應用中的均方根電流為22 mA。CCR在交流電路中的工作電壓范圍為1.8 V至45 V。LED導通時間取決于LED串的正向壓降(VF)。本應用的參考電路中，CCR導通時間約是峰值電壓導通時間的一半。因此，約有50%的時間內LED處于導通狀態(tài)。因此，LED均方根電流是穩(wěn)流電流的約50%。

我們需要根據(jù)設計參數(shù)選定LED數(shù)量。設計參數(shù)是110 Vac RMS，±10%，HB LED (20 mA電流時VF為3.3 V)。先針對Vin=+10%(最大值)展開分析。

最大輸入電壓Vin (max)=110 V rms +10% = 120 V rms
整流峰值電壓Vpeak=120 V rms x 1.414 =170 V
LED串總正向壓降=170 V(peak Vin)-45 V(Vak max)=125 V (LED串VF )

故LED數(shù)量為：125 V/3.3 V=38 LED

再針對先針對Vin=-10%(最小值)展開分析。

測試最小輸入電壓Vin (min)=110 Vrms-10%=100 Vrms
整流峰值電壓Vpeak=100 Vrmsx1.414=141 V
CCR陽極至陰極電壓Vak=141 V-125 V=16 V

Vak范圍將隨著LED串中LED數(shù)量的變化而變化。另增3顆LED將使Vak范圍設定為6 V到35 V。增加的HB LED提供更高的流明輸出并減少CCR散熱。

圖3：CCR用于直接交流供電LED照明應用的電路圖。

交流均方根電壓經(jīng)過全波整流后轉換為頻率為120 Hz的直流脈沖動。當這電壓超過LED串與橋整流器正向壓降之和時，CCR導通，控制電流，并將LED與峰值整流電壓隔離開來。

根據(jù)圖3，CCR的功率耗散計算公式如下：
P=(Vak rms)x(IREG*占空比)=(120 Vbr rms-(38x3.3 V LEDx0.707))x(30 mAx50%)
=31 V rms x 15 mA=465 mW

帶面積100平方毫米、重量1盎司的銅散熱片的SOT-223封裝工作溫度可達85℃。我們采用示波器測試了110 V±10%交流RMS輸入條件下38顆串聯(lián)LED應用電路板，穩(wěn)流電流以100 Ω、精度1%的感測電阻來測量，相關跡線圖詳見參考設計方案（雙端線性恒流穩(wěn)壓器CCR在交流供電低電流LED照明中的應用）。值得一提的是，CCR也可以并聯(lián)工作，從而增加提供給電路的穩(wěn)流電流。當然，CCR電流越大，電路的功率耗散也隨之增加。

上述設計探討的是110 Vac設計條件。當然，CCR同樣也可以用于220 Vac設計，所要做的就是增加LED數(shù)量。LED數(shù)量的計算過程參照上述計算進行。

除了在新設計中使用CCR，也可以在既有設計中使用CCR，同樣非常簡單。我們假定這既有設計使用24顆LED(22 mA電流時VF為3.3 V)，其它參數(shù)相同，即110 Vac RMS，±10%。為了將CCR保持在其工作電壓限制范圍(最大VAK為45 V)以內，我們需要在電路中增加一顆串聯(lián)降壓電阻(Rs)，并計算其阻值。

同樣，最大輸入電壓為120 V rms，整流峰值電壓為170 V，而LED串正向壓降為24x3.3 V= 79.2 V。因此，串聯(lián)降壓電阻所要求的電壓降可用下述公式計算：

Vdrop, RS=Vpeak-(VF LEDs PK+VAK CCR pk+VRsense pk)
=170 V-(79.2 V+45 V+4V)=41.8 V

CCR峰值電流為34 mA；因此，Rs=41.8 V/0.034 A=1229 Ω。實際測試電路選擇的是1200 Ω的Rs。因此，功率耗散為VxI=1.42 W pk或1.0 W RMS。

使用1200 Ω串聯(lián)降壓電阻來在最小輸入電壓條件下測試。這時整流峰值電壓為100 Vrms x 1.414=142 V，故CCR Vak為141 V-(79.2 + 41.8 +4) =16 V，同樣保持在工作電壓限制范圍以內。

總結：

在建筑物及通用照明等可以采用交流供電的低電流LED照明應用中，安森美半導體的NSI45系列雙端線性恒流穩(wěn)壓器與普通線性穩(wěn)壓器相比成本更低，但性能上又比常見的電阻驅動電路方案高出許多，是一種高性價比及可靠的LED驅動方案，且設計過程非常簡單，既可用于新設計，也可非常方便地用于修改既有設計。