高壓離線式高亮度LED的新型恒流控制電路

HB-LED (高亮度發(fā)光二極管)正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。其如此受歡迎的原因是它具有很多吸引 OEM和終端用戶的特點(diǎn)。高亮度LED結(jié)合了高效率、小體積、低電壓運(yùn)行等特點(diǎn)，從而比傳統(tǒng)照明設(shè)備更為靈活。這種燈具有出色的低溫性能、色飽和度和亮度，以及較長(zhǎng)的工作壽命。其不含汞的特性在照明行業(yè)向清潔技術(shù)發(fā)展的環(huán)保形勢(shì)下，更具優(yōu)勢(shì)。但由于LED預(yù)封裝的功率和工作電流分別達(dá)到了 5 W 和1.5 A，設(shè)備較大的制造容差表明，采用傳統(tǒng)的控制方法(如阻性電流限制)既不精確、效率又低。新電路滿足了精確和高效電流控制的需求，并且在某些情況下可簡(jiǎn)化應(yīng)用級(jí)別設(shè)計(jì)，降低成本。

二極管串

高亮度LED的亮度和色彩都取決于正向電流。要保證二極管串中的每個(gè)高亮度LED輸出亮度，可以將其串聯(lián)。但這種結(jié)構(gòu)需要電流控制電路具有較高的電壓。由于高亮度LED的 IV 曲線過(guò)于陡峭，影響VF(正向電壓)制造容差的存在，同時(shí)，VF有隨溫度漂移等問(wèn)題，并聯(lián)效果也不好。例如，Lumiled 公司Luxeon III 的VF在不同部分的差異可達(dá)到20%(表 1)。

盡管燈的電氣參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，高亮度LED串的驅(qū)動(dòng)電路還要保持恒定的平均負(fù)載電流。與高亮度LED串聯(lián)的小傳感電阻可提供二極管串電流的持續(xù)反饋。

接地參考的傳感電阻簡(jiǎn)化了電流傳感電路，但在降壓轉(zhuǎn)換器中需要高壓驅(qū)動(dòng)電路。要避免使用隔離變壓器，在設(shè)計(jì)中必須選擇高邊檢測(cè)和低電壓驅(qū)動(dòng)電路，或者低邊檢測(cè)和高壓驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)現(xiàn)后者的一種有效方法是，采用有時(shí)間延遲滯后控制的高壓降壓驅(qū)動(dòng)電路(見(jiàn)圖 1)。

維持電流

該電路的控制器通過(guò)比較反饋電壓VIFB和一個(gè)標(biāo)稱的0.5V內(nèi)部參考電壓VIFBTH來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流。如果VIFB 低于VIFBTH，MOSFET導(dǎo)通，從而通過(guò)直流總線為高亮度LED串供電。同時(shí)，LC 諧振電路在VIFB 增大時(shí)存儲(chǔ)能量。當(dāng)VIFB 達(dá)到閾值VIFBTH 時(shí)，MOSFET 在電路固有的固定時(shí)間延遲之后關(guān)閉。

該延遲允許VIFB 在MOSFET關(guān)閉之前超過(guò)閾值。在MOSFET 關(guān)閉后，諧振電路釋放其存儲(chǔ)的能量，為二極管串供電。在此期間，VIFB 逐漸降低，直到達(dá)到固定的閾值。比較器在閾值點(diǎn)打開(kāi)或關(guān)閉，電路的延遲允許VIFB 在MOSFET 打開(kāi)之前繼續(xù)降低，從而開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。
固定時(shí)間延遲及相應(yīng)的電路連續(xù)開(kāi)關(guān)促使控制器將二極管串電流調(diào)節(jié)到平均值IOUT(AVG)，該值為VIFBTH (標(biāo)稱0.5V)及傳感電阻RCS的整數(shù)商數(shù)。只要LC 振蕩電路能維持足夠低的紋波電壓—小于0.1V，這種關(guān)系就會(huì)成立。

只要輸出電壓的值保持在一定范圍內(nèi)，這種利用控制器的延遲實(shí)現(xiàn)滯后的調(diào)節(jié)方式就可促使降壓轉(zhuǎn)換器自行調(diào)節(jié)。提高輸入輸出電壓比會(huì)加大電流紋波。輸入電壓和電流限制的需求確定了占空比。這種結(jié)構(gòu)提供了連續(xù)而精確的電流控制，且不受輸入和高亮度LED正向電壓波動(dòng)影響。

圖 2 、圖3 及表 2、表3 顯示了這種電路在90 ~265 VAC的通用輸入電壓范圍內(nèi)，以350 mA驅(qū)動(dòng)兩個(gè)有6個(gè)串聯(lián)LUXEON FLOOD 25-0032 HB-LED板時(shí)的結(jié)果。表 2 顯示了在輸入電壓范圍內(nèi)良好的電流調(diào)節(jié)。圖 2 和圖3 說(shuō)明了正如理論所示的，由于占空比較小，輸入電壓較高時(shí)紋波較差。這表明在主電壓較低的地區(qū)，如北美和日本，設(shè)備性能更加良好。然而，即使在最差的條件下，只要控制器輸入電壓保持在90 ~265 VAC的范圍內(nèi)，仍可對(duì)電流進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)。同時(shí)對(duì)只使用6個(gè)HB-LED板的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量(見(jiàn)表 3) ，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，±1.3%的調(diào)節(jié)差距導(dǎo)致負(fù)載電壓的差距高達(dá)33.4V ~16.4V。

由于這種結(jié)構(gòu)的效率為總線輸出電壓的反函數(shù)，因此，6個(gè)HB-LED 的系統(tǒng)效率低于12個(gè)HB-LED的系統(tǒng)，如表 3中所示。6個(gè)HB-LED 系統(tǒng)的效率也可以通過(guò)修改諧振電路來(lái)提高。

同步

將轉(zhuǎn)換器改為同步降壓結(jié)構(gòu)可以提高電路效率，同時(shí)最少地增加電路復(fù)雜性和成本，特別是對(duì)于負(fù)載電流和輸入電壓較高的系統(tǒng)(見(jiàn)圖 4)。由于總線輸出電壓決定了降壓轉(zhuǎn)換器的占空比，該值較大的系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)周期的大部分時(shí)間都由低壓設(shè)備控制。通常，MOSFET的I2RDS(on) 導(dǎo)通損耗比二極管的VI 耗散項(xiàng)小。可是，要比較兩種結(jié)構(gòu)，還要考慮由二極管反相恢復(fù)時(shí)間造成的損耗與MOSFET的寄生二極管損耗的大小。

當(dāng)高壓部分的MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，公共節(jié)點(diǎn)電壓VS 迅速地從接地電壓滑向VBUS ，同時(shí)，低壓部分MOSFET 或二極管在反相恢復(fù)時(shí)間將VS 電流導(dǎo)向接地點(diǎn)。這會(huì)對(duì)低壓部分的開(kāi)關(guān)設(shè)備造成功耗大、散熱多、增加元件的壓力。二極管的反相恢復(fù)時(shí)間通常比MOSFET寄生二極管短。在低頻和較小負(fù)載電流下，MOSFET 寄生二極管的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)并不會(huì)引起任何問(wèn)題。但在頻率和電流較高的情況下，一定要比較低邊設(shè)備每個(gè)結(jié)構(gòu)的總損耗，以優(yōu)化設(shè)計(jì)。

要降低MOSFET 寄生二極管的反相恢復(fù)損耗，可與MOSFET并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管。由于兩種設(shè)備正向電壓存在差異，在開(kāi)關(guān)空載時(shí)間，電感會(huì)消耗通過(guò)肖特基的電流。當(dāng)高邊FET 導(dǎo)通時(shí)，由于寄生二極管不會(huì)在正向?qū)Ｊ较逻\(yùn)行，肖特基二極管較快的反相恢復(fù)時(shí)間將主導(dǎo)電路的活動(dòng)。在低邊導(dǎo)通間隔，MOSFET較低的RDS(on) 可保證較低的導(dǎo)通損耗。