離線LED控制電路的實現(xiàn)

熒光燈與LED相比較

LED的工作原理與熒光燈完全不同。單獨電子會在半導體材料的p-n結(jié)上跳動(由n區(qū)到p區(qū))。有些半導體(如鎵)的帶隙十分寬闊，電子需要相當大的能量才能跳過p-n結(jié)。每個電子與原子復合，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)點上一個十分細小的空間內(nèi)產(chǎn)生，所以只能形成點光源，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，以及一個用于預熱、觸發(fā)和運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?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，同時針對交流及負載故障，為電路提供完善的保護。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) 實現(xiàn)其他功能，即預熱、觸發(fā)和調(diào)光(見圖2)?！　?/p>

圖2 IRS2530D器件的引腳分配及功能

當一個電壓(典型14V)首次加到VCC，集成電路就會從欠壓鎖閉(UVLO)模式進入預熱/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，燈會點燃起來，電流也會開始流動，使芯片進入調(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、升壓或反激拓撲設(shè)計，用于產(chǎn)生通過一串LED所需的恒定電流。這些拓撲各有優(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?；谏鲜鲈?，電路設(shè)計往往變化多端，以滿足不同LED應用的需求。新型電路是由調(diào)光型熒光燈應用略為改進而得到的諧振模式電路，適用于不隔離的離線應用。它能夠驅(qū)動一或多個串聯(lián)的LED，又可輕松擴展，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，可由熒光燈改為驅(qū)動LED。它也不需給負載預熱或觸發(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之間的電阻器來進行，并且對全波整流LED電流幅值直接進行測量。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。

實驗結(jié)果

實驗結(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=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=5μsec/div

當交流線路電壓首次導入，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負責。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COM(見圖6)。

然后集成電路便進入調(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(VS引腳)的兩倍頻率?；陔娐返闹C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現(xiàn)標稱LED有效值電流。

IRS2530D還包含可針對所有交流線路和負載故障情況提供完善保護的額外電路，包括交流電源掉電、開路(無負載或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，又可輕松擴展，適應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。假如需進一步改進電路，可以考慮加入LED的脈沖寬度調(diào)制開/關(guān)調(diào)光功能。