照明市场中的高亮度LED驱动挑战
另一方面,如上所述,在不需要隔离的应用中,可以采用较为简单的降压拓扑结构,这种结构所使用的电感比变压器小得多,而且只需要很少的元件来实现这种解决方案。这种架构采用的是峰值电流控制(PCC)模式,工作在深度连续导电模式(CCM)。这种架构具有多种优势,如可以消除使用大电解输出电容、具有“良好”稳流的简单控制原理,以及能够充分利用安森美半导体的动态自供电(DSS)技术能力来直接从交流线路为驱动器供电。
图5显示的是安森美半导体NCP1216 PWM电流模式控制器的应用设计示意图。
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图5:采用峰值电流控制的NCP1216非隔离型离线式LED驱动应用
它充分利用高压工艺技术的优势,从交流主电源直接为控制器供电,进一步简化了电路。这设计适合120 Vac条件,若要用于230 Vac条件,则需要变更少许元件,如功率FET和电容。由于这是一种非隔离型AC-DC设计,所以存在高压。而且这是一项浮动设计,IC和 LED并非对地参考。在对器件进行供电之前,LED必须连接至电路板。
对于这类降压控制方式而言,当控制的LED数量减少时,它的一项局限就会出现,因为这时占空比会变得极窄。而且开关控制器在电流被感测到之前会有200至400 ns的前沿消隐电路。在这种情况下,必须降低开关频率来适应正常操作,并通过半波整流输入电路将电压保持在最低值。在这种方法中,基本架构能够通过元件修改来轻易扩展,从而也能驱动更长的LED串。
2)采用宽输入范围的直流-直流(DC-DC)电源为LED供电
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表1:宽输入范围的DC-DC LED应用
有一系列 高亮度LED应用工作在8至40 VDC范围的电源,这些电源包括铅酸电池、12-36 VDC适配器、太阳能电池以及低压的12 和24 VAC交流系统。这类的照明应用众多,如活动式照明、景观和道路照明、汽车和交通照明、太阳能供电照明,以及陈列柜照明等。
即使目标是采用恒定电流驱动LED,首先要理解的事件就是应用的输入和输出电压变化。LED的正向电压由材料特性、结温度范围、驱动电流和制造容限决定。凭借这些信息,就可以选择恰当的线性或开关电源拓扑结构,如线性、降压、升压或降压-升压等。而安森美半导体的NCP3065/3066是一种多模式LED控制器,它集成1.5 A开关,可以设置成降压、升压、反转(降压-升压)/单端初级电感转换器(SEPIC)等多种拓扑结构。NCP3065/3066的输入电压范围为3.0至40 V,具有235 mV的低反馈电压,工作频率可调节,最高250 kHz。其它特性包括:能进行逐周期电流限制、不需要控制环路补偿、可采用所有陶瓷输出电容工作、具有模拟和数字PWM调光能力、发生磁滞时内部热关闭等。
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图6:安森美半导体NCP3065在LED恒流降压控制应用中的示意图
为LED提供保护
如前所述,LED是一种使用寿命极长的光源(可长达5万小时)。除了需要针对具体的LED应用选择适合的LED驱动解决方案,还需要为LED提供适当的保护,因为偶尔LED也会失效。其原因多种多样,可能是因为LED早期失效,也可能是因为局部的组装缺陷或是因瞬态现象导致失效。必须对这些可能的失效提供预防措施,特别是因为某些应用属于关键应用(故障停机成本高),或是安全攸关的应用(如头灯、灯塔、桥梁、飞行器、飞机跑道等),或是在地理上难于接近的应用(维护困难)等。
在这方面,可以采用安森美半导体的NUD4700 LED分流保护解决方案。图7是这种分流保护解决方案的应用及原理示意图。
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图7:安森美半导体NUD4700 LED开路分流保护器的应用示意图
在LED正常工作时,泄漏电流仅为近100 μA;而在遭遇瞬态或浪涌条件时,LED就会开路,这时NUD4700分流保护器所在的分流通道激活,所带来的压降仅为1.0 V,将带给电路的影响尽可能地减小。这器件采用节省空间的小型封装,设计用于1 W LED(额定电流为350 mA@ 3 V),如果散热处理恰当,也支持大于1 A电流的操作。
总结
相较于白炽灯等传统光源,LED具有能效高、寿命长、指向性好等众多优势,越来越受业界青睐用于通用 照明市场。而LED在通用 照明市场的应用涉及多方面的要求,需要从系统的角度去考虑,如光源、电源转换、LED控制和驱动、散热和光学等。本文以LED驱动为重点,分析了通用 照明市场中LED驱动面临的挑战,并结合安森美半导体的高性能LED驱动解决方案,探讨了不同的LED驱动应用示例,如通过交流隔离电源为LED供电和通过宽输入范围DC-DC电源为LED供电等;最后,还介绍了能够用于需要高可靠性和持续性的LED应用中的安森美半导体LED分流保护解决方案。
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