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          LED照明中的CCR驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2011-08-04 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          設(shè)計(jì)方案,如果電流大于500 mA,通常使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)LED;若電流介于200 mA至500 mA之間,既可以采用開(kāi)關(guān)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(qū)動(dòng)電路。

          就低于200 mA的低電流應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)方案而言,線性穩(wěn)壓器或電阻驅(qū)動(dòng)電路各有其優(yōu)劣勢(shì)。例如,線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,易于設(shè)計(jì),提供穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù),具有外部電流設(shè)定點(diǎn),且沒(méi)有電磁兼容性(EMC)問(wèn)題,但功率耗散和成本較高,而能效較低。電阻型驅(qū)動(dòng)器利用電阻這樣的簡(jiǎn)單分立器件來(lái)限制LED串電流,是最本最低的方案,同樣易于設(shè)計(jì),且沒(méi)有EMC問(wèn)題,但這種方案的突出問(wèn)題是輸入電壓變化時(shí)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(chǎng)上許多客戶需要比線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟(jì)、但在性能上又比電阻驅(qū)動(dòng)電路高出許多的驅(qū)動(dòng)方案。在這種背景下,安森美半導(dǎo)體運(yùn)用正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術(shù),結(jié)合自身超強(qiáng)的工藝控制能力,推出一種新的方案——NSI45系列雙端線性恒流穩(wěn)壓器()。

          的特性及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

          安森美半導(dǎo)體的可以表征為可變電阻。隨著CCR兩端電壓上升,內(nèi)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(fù)溫度系數(shù),故在CCR耗散功率(溫度上升)時(shí),內(nèi)部阻抗增加,使電流減小。

          LED照明中的CCR驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
          圖1:CCR結(jié)合電阻型驅(qū)動(dòng)器與線性穩(wěn)壓器所長(zhǎng)。

          與電阻型驅(qū)動(dòng)方案相比,安森美半導(dǎo)體的NSI45系列CCR具有突出的優(yōu)勢(shì),例如交流電壓增加時(shí)仍保持恒流、達(dá)到LED閾值電壓后LED導(dǎo)通無(wú)延遲、低電壓時(shí)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(yīng)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(yīng)用中,諸如裝飾照明、工作燈、室外照明、景觀照明、柜臺(tái)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(guò)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(guò)CCR的最大陽(yáng)極至陰極電壓(VAK)即可,顯示CCR非常易于用于設(shè)計(jì)。

          CCR應(yīng)用設(shè)計(jì)示例

          我們既可以采用CCR來(lái)開(kāi)啟新的設(shè)計(jì),也可以采用CCR來(lái)修改既有設(shè)計(jì)。本文將主要以新設(shè)計(jì)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(yīng)用,簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)過(guò)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(yīng)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(dǎo)通時(shí)間取決于LED串的正向壓降(VF)。本應(yīng)用的參考電路中,CCR導(dǎo)通時(shí)間約是峰值電壓導(dǎo)通時(shí)間的一半。因此,約有50%的時(shí)間內(nèi)LED處于導(dǎo)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(shè)計(jì)參數(shù)選定LED數(shù)量。設(shè)計(jì)參數(shù)是110 Vac RMS,±10%,HB LED (20 mA電流時(shí)VF為3.3 V)。先針對(duì)Vin=+10%(最大值)展開(kāi)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(duì)先針對(duì)Vin=-10%(最小值)展開(kāi)分析。

          測(cè)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(yáng)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(shè)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。

          LED照明中的CCR驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
          圖3:CCR用于直接交流供電應(yīng)用的電路圖。

          交流均方根電壓經(jīng)過(guò)全波整流后轉(zhuǎn)換為頻率為120 Hz的直流脈沖動(dòng)。當(dāng)這電壓超過(guò)LED串與橋整流器正向壓降之和時(shí),CCR導(dǎo)通,控制電流,并將LED與峰值整流電壓隔離開(kāi)來(lái)。

          根據(jù)圖3,CCR的功率耗散計(jì)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(dá)85℃。我們采用示波器測(cè)試了110 V±10%交流RMS輸入條件下38顆串聯(lián)LED應(yīng)用電路板,穩(wěn)流電流以100 Ω、精度1%的感測(cè)電阻來(lái)測(cè)量,相關(guān)跡線圖詳見(jiàn)參考設(shè)計(jì)方案(雙端線性恒流穩(wěn)壓器CCR在交流供電低電流中的應(yīng)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(dāng)然,CCR電流越大,電路的功率耗散也隨之增加。

          上述設(shè)計(jì)探討的是110 Vac設(shè)計(jì)條件。當(dāng)然,CCR同樣也可以用于220 Vac設(shè)計(jì),所要做的就是增加LED數(shù)量。LED數(shù)量的計(jì)算過(guò)程參照上述計(jì)算進(jìn)行。

          除了在新設(shè)計(jì)中使用CCR,也可以在既有設(shè)計(jì)中使用CCR,同樣非常簡(jiǎn)單。我們假定這既有設(shè)計(jì)使用24顆LED(22 mA電流時(shí)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(nèi),我們需要在電路中增加一顆串聯(lián)降壓電阻(Rs),并計(jì)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(jì)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(shí)際測(cè)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(lái)在最小輸入電壓條件下測(cè)試。這時(shí)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(nèi)。

          總結(jié):

          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(yīng)用中,安森美半導(dǎo)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(jiàn)的電阻驅(qū)動(dòng)電路方案高出許多,是一種高性價(jià)比及可靠的LED驅(qū)動(dòng)方案,且設(shè)計(jì)過(guò)程非常簡(jiǎn)單,既可用于新設(shè)計(jì),也可非常方便地用于修改既有設(shè)計(jì)。



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