用MR16LED替代1W至5WLED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)參考

近年來(lái)，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)市場(chǎng)快速發(fā)展，LED效能(efficacy，單位為流明/瓦或lm/W)增加了一倍以上，使用更加適用于眾多新應(yīng)用，如我們?cè)谑殖蛛娡?、建筑照明及街道照明等?yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)諸多革命性的新產(chǎn)品。但LED要成為比白熾燈和緊湊型熒樂(lè)燈性價(jià)比更高的照明系統(tǒng)，仍然面臨著挑戰(zhàn)。實(shí)際上，就許多應(yīng)用而言，都涉及到基于寬輸入電壓范圍的電源來(lái)為HB-LED供電的挑戰(zhàn)。其中，軌道照明等通用照明應(yīng)用尤為如此，這些應(yīng)用采用可能很松散穩(wěn)壓的12 Vac或12 Vdc電源。然而，LED需要以電流源而非電壓源驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楦鶕?jù)工藝容限及溫度的不同，HB-LED的正向電壓(額定值3.4 V)變化幅度可能超過(guò)±20%。

此外，就當(dāng)前的1 W暖白光功率LED的流明量而言，通常需要3到4顆LED來(lái)替代1個(gè)20 W白熾燈的光輸出。而要獲得可預(yù)期及匹配的亮度和色度，也需要以恒定電流驅(qū)動(dòng)LED。從架構(gòu)角度來(lái)說(shuō)，降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合這個(gè)要求，但它不如標(biāo)準(zhǔn)降壓或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)那樣常見(jiàn)。但理解透徹的話，降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以為輸入電壓(Vin)與正向電壓(Vf)有交疊的高性價(jià)比HB-LED照明應(yīng)用提供眾多優(yōu)勢(shì)。

參考設(shè)計(jì)概覽

本參考設(shè)計(jì)文檔介紹經(jīng)過(guò)精心構(gòu)建及測(cè)試的GreenPoint? 1 W至5 W LED驅(qū)動(dòng)器方案，用于MR16 LED替代應(yīng)用。這參考設(shè)計(jì)電路適合驅(qū)動(dòng)多種照明應(yīng)用中的HB-LED，但其尺寸和配置針對(duì)MR16 LED替代應(yīng)用。這類配置常見(jiàn)于12 Vac/12 Vdc軌道照明應(yīng)用、汽車應(yīng)用、低壓交流景觀照明應(yīng)用，以及工作照明應(yīng)用，如可能采用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成交流電壓墻式適配器供電的櫥柜燈及臺(tái)燈。

這參考設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵考慮因素，是在12 Vac輸入條件下，跨輸入線路變化及輸出電壓變化，實(shí)現(xiàn)平坦的電流穩(wěn)流。這參考設(shè)計(jì)電路基于安森美半導(dǎo)體的NCP3065構(gòu)建，工作頻率約為150 kHz，采用非隔離型配置。NCP3065是一款單片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，支持12 Vdc或12 Vac電源輸入，設(shè)計(jì)用于為HB-LED提供恒定電流。除了NCP3065，這參考設(shè)計(jì)還結(jié)合了自動(dòng)檢測(cè)電路。這參考設(shè)計(jì)的功能框圖如圖1所示。

圖1：安森美半導(dǎo)體用于MR16 LED替代應(yīng)用的1 W至5 W LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint?參考設(shè)計(jì)框圖。

基本電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的原理非常簡(jiǎn)單。導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，輸入電壓源直接連接至電感(L)，從而在電感中積聚能量。在這個(gè)階段，電容C為輸出負(fù)載提供能量。關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電感通過(guò)輸出二極管連接至輸出負(fù)載及電容，從而傳輸能量給負(fù)載。

要注意的是這是一種反向(inverting)輸出，負(fù)輸出連接至LED的陽(yáng)極，而正輸出連接至LED的陰極。另外，用示波器探頭來(lái)測(cè)量時(shí)，探頭的接地端并不接地。示波濾器將需要浮置(從交流墻式電源移除接地連接)，否則，接地環(huán)路/短路將導(dǎo)致器件關(guān)閉。

突發(fā)模式控制

基本控制環(huán)路包含235 mV內(nèi)部參考、反饋比較器及2個(gè)設(shè)定優(yōu)先(Set-Dominant) RS閂鎖?；旧?，NCP3065支持功率FET在降壓-升壓段導(dǎo)通(switch ON)，這時(shí)反饋電壓降到低于參考電壓。而在Ct下降時(shí)，功率FET將無(wú)條件地強(qiáng)制關(guān)閉。

電阻R8(參見(jiàn)圖5)用于感測(cè)輸入電感電流，并提供給NCP3065的FB引腳。這應(yīng)用產(chǎn)生關(guān)閉時(shí)間瞬時(shí)(Ivalley)電感電流控制。只有在關(guān)閉時(shí)間電感電流穿過(guò)Vref閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間周期才能開(kāi)始。

由于NCP3065控制器并不提供集成的脈寬調(diào)制(PWM)控制，僅利用一個(gè)比較器來(lái)跟蹤(trip)反饋點(diǎn)，因此，峰值負(fù)載電流與平均負(fù)載電流并不象降壓轉(zhuǎn)換器那樣直接成正比，而是符合下列公式：

其中，Ivalley是最低電感電流點(diǎn)。將平均電流(Iave)與輸入電壓(Vin)之比繪成波特圖即可得到動(dòng)態(tài)曲線(見(jiàn)圖2a)，可能會(huì)導(dǎo)致LED光輸出大幅變化。

圖2：不帶Vin補(bǔ)償及帶Vin補(bǔ)償時(shí)的平均LED電流vs. Vin曲線。

因此，使用輸入電壓前饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)減少由于Iout vs. Vin曲線的非線性響應(yīng)導(dǎo)致的誤差。由電阻R3、R5及加法電阻R4組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)(參見(jiàn)圖5)用于增加Vin比例電壓至FB引腳，從而在Vin增加時(shí)降低負(fù)載電流。這就起到使圖2a曲線平坦化的效果，并降低了總體電流誤差(見(jiàn)圖2b)。

電阻R9和電容C6用于限制高輸入電壓外部開(kāi)關(guān)的門極至源極電壓。由R9和R2組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)定最大門極至源極電壓(Vgs)：


脈沖反饋電阻

電阻R7與二極管D5用于降低跳脈沖(pulse skipping)的可能性。由于突發(fā)模式控制僅涉及一個(gè)反饋電壓及每周期交叉檢測(cè)，并不包含使用窗口比較器，有可能產(chǎn)生跳過(guò)的脈沖(skipped pulse)，這跳過(guò)的脈沖不會(huì)影響直流調(diào)節(jié)，但如果脈沖有低頻分量，可能會(huì)在LED應(yīng)用中呈現(xiàn)閃爍。

R7和D5增加了流至Ct時(shí)序電容C2的電流。這有效地限制了NCP3065可提供的最大占空比。當(dāng)條件允許低占空比時(shí)，R7和D5就使高于所需值的占空比不會(huì)出現(xiàn)。在關(guān)閉期間，需要D7來(lái)阻隔電壓，因?yàn)檫@是降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。更多有關(guān)脈沖反饋補(bǔ)償?shù)男畔⒁?jiàn)安森美半導(dǎo)體的NCP3065數(shù)據(jù)表。

交流工作Vs.直流

由于有半正弦波輸入至降壓-升壓段，與純粹直流輸入相比，工作點(diǎn)就會(huì)不同。由于小尺寸是這設(shè)計(jì)的一項(xiàng)目標(biāo)，故在全橋整流器后使用了極小的輸入電容。

因此，這樣一來(lái)，根據(jù)所選擇的輸入電容，線路電壓能夠降到低至3 V。故轉(zhuǎn)換器的輸入是全波整流正弦波。由于穩(wěn)壓器在電壓低于約4 V時(shí)不工作(non-functional)，故存在穩(wěn)壓盲區(qū)(dead spot)。因此，我們最后穩(wěn)壓的是120 Hz線路周期中約80%的有限部分，其余約20%則沒(méi)有穩(wěn)壓。采用交流輸入工作時(shí)，這會(huì)降低平均電流約20%。

當(dāng)采用大于12 Vac的電壓工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮散熱問(wèn)題。在多數(shù)應(yīng)用中，這個(gè)模塊會(huì)增加熱耗散。輸入電壓補(bǔ)償增加了額外的交流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而應(yīng)對(duì)不同的工作點(diǎn)。