基于NCPl01x的Luxeon Star LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1 引言
超高亮度發(fā)光二極管(LED)的發(fā)展比人們先前的預(yù)計(jì)要更加迅猛。十幾年前，發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)100坎德拉(cd)的LED被定義為超高亮度LED，而目前的水平早已突破1300 cd。幾年前，LED的工作電流僅為10 mA~30 mA，發(fā)光效率僅為101 m~201 m/W，功率僅為幾毫瓦或幾十毫瓦(mW)。Lu-mileds照明公司的超高亮度LED(被稱(chēng)作LuxeonLED、Luxeon發(fā)射器和Luxeon Star)早已投放市場(chǎng)，其工作電流達(dá)200 mA～700 mA，功率達(dá)0.7 W~5W，發(fā)光效率高于25 lm/W，綠光、紅光和深藍(lán)色350mA LED的光通量達(dá)25 lm~30 lm。工作電流達(dá)l A乃至大于l A的LED很快就會(huì)投放市場(chǎng)。白色LED的發(fā)光效率已突破40 lm/W，遠(yuǎn)優(yōu)于白熾燈，僅次于熒光燈。目前正在研制發(fā)光效率不只鎖定在100 lm/W～120 lm/W，而是更高的LED。美國(guó)能源部資助由加州大學(xué)圣巴巴拉分校和壬色列學(xué)院照明中心承擔(dān)的半導(dǎo)體照明項(xiàng)目，發(fā)光效率鎖定在200 lm/W，遠(yuǎn)高于熒光燈、高壓鈉燈及金鹵燈。該研發(fā)項(xiàng)目的目標(biāo)旨在替代所有傳統(tǒng)電光源。業(yè)界普遍認(rèn)為，LED的發(fā)展將給照明領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命。超高亮度LED是2l世紀(jì)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的固態(tài)光源。超高亮度LED的應(yīng)用領(lǐng)域除大屏幕顯示、汽車(chē)和交通燈等外．大約再過(guò)十余年將會(huì)取代自熾燈、鹵鎢燈和熒光燈。

2 大電流LED的離線驅(qū)動(dòng)方案
在汽車(chē)中應(yīng)用時(shí)超高亮度大電流LED可以利用汽車(chē)直流電源供電。若大電流LED用于景觀照明、樹(shù)木和草坪照明以及轎車(chē)停車(chē)場(chǎng)、交通安全島信號(hào)燈、大屏幕顯示背光源等場(chǎng)合時(shí)，宜采用220V(或110 V)的工頻市電供電。
驅(qū)動(dòng)超高亮度Luxeon LED的最簡(jiǎn)單方案是采用圖l所示的橋式整流電容器濾波電路。電源降壓變壓器次邊輸出為14Vac(Vin)，橋式整流濾波電路輸出電壓VDC=1.2Vin。LXHL-MWlD型Luxeon LED的正向工作電流ILED=350 mA，正向壓降(@350 mA)VLED=3.5 V。

限流電阻器Rl的阻值為

可選擇R1=20 Ω。當(dāng)AC線路波動(dòng)范圍為10％時(shí)，通過(guò)LED的電流變化率大于25％。圖l所示的LED供電電路雖然雖然簡(jiǎn)單，但電流調(diào)節(jié)性能差，并且在高AC線路下電壓起伏時(shí)易損壞LED。圖2所示為采用線性穩(wěn)壓器的Luxeon驅(qū)動(dòng)電路。2只LXHL-MWlD型LED串聯(lián)用于景物照明。

MC7809型三端穩(wěn)壓器輸出電壓Vout=9V，電阻器Rl的阻值為

圖2所示的LED供電電路具有優(yōu)良的電流調(diào)整性能(通常為5％)，但功率損耗較大，系統(tǒng)效率很低。

另外一種驅(qū)動(dòng)方方案是基于控制電路(如NCPl200等)的回掃式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)渑渲?。開(kāi)關(guān)調(diào)整器電路要復(fù)雜一些，但可以獲得優(yōu)異的恒流特性，效率高達(dá)80％，雖然這種方案也用變壓器，但因其在高頻下工作，故尺寸和重量均比工頻電流降壓變壓器要小得多和輕得多。

3 Luxeon Star LED驅(qū)動(dòng)電路
3.1 NCPl01x的主要特點(diǎn)
安森美半導(dǎo)體最近推出了NCPIOlx系列低待機(jī)功率離線開(kāi)關(guān)電源自供電單片轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，集成了一個(gè)固定頻率電流模式控制器和一個(gè)700 V的功率MOSFET。這種轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)不僅可用于充電器低功率AC/DC適配器的UBS、TV等輔助電源，還可以用于驅(qū)動(dòng)Luxeon Star LED。NCP101x系列轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的主要特點(diǎn)如下：
●內(nèi)部700 V的MOSFET導(dǎo)通電阻RDS(on)為l1/22 Ω；
●電流模式固定頻率工作(65 kHz/100 kHz/130kHz)；
●在低峰值電流下跳越周期消除了聲頻噪聲；
●動(dòng)態(tài)自供電(DSS)，無(wú)需偏置繞組；
●內(nèi)部l ms的軟啟動(dòng)；
●頻率抖動(dòng)改善了EMI性能；
●如果使用輔助繞阻，則停止DDS工作，待機(jī)功率低于100 mW；
●內(nèi)置過(guò)電壓保護(hù)(OVP)電路；
●內(nèi)置自校復(fù)輸出短路保護(hù)電路；
●門(mén)限溫度為150℃(帶50℃滯后)的過(guò)溫度關(guān)斷保護(hù)；
●反饋回路連接光耦合器。
3.2 引腳功能及主要參數(shù)
NCPl01x系列電路采用7引腳PDIP封裝、7引腳PDIP(鷗翼型)封裝和4引腳SOT-23封裝，引腳排列如圖3所示。

NCPl0Ix系列轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的引腳功能如下：Vcc為內(nèi)部電路供電，外部連接1只10 μF電容器，電容器的紋波參與頻率抖動(dòng)。該腳可連接輔助電源以改善待機(jī)性能，同時(shí)在反饋回路出現(xiàn)故障時(shí)，該腳還提供有源關(guān)斷保護(hù)；GND為地；NC腳不連接；FB腳為反饋信號(hào)輸入；Drain為內(nèi)部MOSFET的漏極。
NCPIOIx系列電路有5種型號(hào)：NCP1010、NCPl011、NCP1012、NCPl013和NCPl014。表1所列參數(shù)為用戶(hù)提供快速選擇。
對(duì)于給定的NCP101x，其最大輸出功率與AC線路輸入電壓和Vcc供電方式有關(guān)。表2所列為NCPl014在不同條件下的最大輸出功率。

3.3 應(yīng)用電路實(shí)例
3.3.1 Luxeon LED陣列驅(qū)動(dòng)電路
基于NCPl012的回掃變換器驅(qū)動(dòng)Luxeon LED陣列的實(shí)際電路如圖4所示。每個(gè)LED均為L(zhǎng)XHL-MWlD，其正向工作電流為350 mA，正向壓降(@350mA)為3.5 V?；貟呤介_(kāi)關(guān)電源的輸出DC電壓為17.5 V，輸出功率為6.125 W，效率接近80％。NCPl012采用動(dòng)態(tài)自供電(DSS)，Vcc無(wú)需偏置繞組和外部啟動(dòng)電阻器。開(kāi)關(guān)電源輸出高度穩(wěn)定的電壓和電流，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于線性穩(wěn)壓器電路。

3.3.2 Luxeon Star LED驅(qū)動(dòng)電路
NCP101x系列轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可用于驅(qū)動(dòng)1 W、3 W和5W等Luxeon Sta LED，具體選擇如表3所列。

圖5所示為由NCP1013和Luxeon V Star LED組成的閃光燈電路。Luxeon V Sta LED可用作警燈、應(yīng)急燈和信標(biāo)燈等。

AC線路電壓經(jīng)D1、D2和Cl半波整流及濾波，為AC-DC變換器初級(jí)側(cè)提供DC總線電壓。為獲得閃爍功能，未用電路次級(jí)到初級(jí)的反饋回路。引腳FB上的1 nF陶瓷電容器C3用作旁路高頻噪聲。并聯(lián)在T1初級(jí)側(cè)上的ZDl和D3組成器件內(nèi)部MOSFET漏極箝位電路。
圖6所示為NCPl013的動(dòng)態(tài)自供電電路。在系統(tǒng)加電后，高壓?jiǎn)?dòng)電流源(8m A)對(duì)引腳Vcc上的電容器CVcc充電。當(dāng)Vcc腳上的電壓達(dá)到8.5 V的門(mén)限電平時(shí)，內(nèi)部電流源關(guān)斷，MOSFET被喚醒和激活。Vcc電容器上產(chǎn)生幅度為1 V(8.5 V-7.5V)的紋波，如圖7所示。

LED閃爍是借助于圖8所示的內(nèi)部短路檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)的，該電路監(jiān)視內(nèi)部誤差標(biāo)志信號(hào)。如果誤差信號(hào)為低態(tài)(峰值電流限制未被激活)，則電路正常工作，一旦誤差信號(hào)激活，則電路立刻停止輸出脈沖，并且不允許啟動(dòng)電流源。在此情況下，Vcc下降，直至達(dá)到關(guān)斷電平(4.7 V)，而后開(kāi)始重新啟動(dòng)。LED的閃爍周期由引腳Vcc上的電容器CVcc(即圖5中的C2)容值確定．占空因數(shù)固定并由電路內(nèi)部的電流消耗確定。

4 結(jié)束語(yǔ)
基于NCP101x系列轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的反激式變換器是大電流LED離線供電電源比較理想的解決方案。與線性穩(wěn)壓器方案比較，開(kāi)關(guān)調(diào)整器驅(qū)動(dòng)方案的AC線路電壓輸入范圍寬(85 V~265 V)、效率高(約80％)，并且具有過(guò)載、短路和過(guò)熱保護(hù)功能，而且電路成本增加很少甚至沒(méi)有增加。