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交流供電低電流LED照明中的CCR驅(qū)動器應(yīng)用設(shè)計過程

發(fā)布時間:2010-06-28 來源:安森美半導(dǎo)體

設(shè)計LED驅(qū)動方案,如果電流大于500 mA,通常使用開關(guān)穩(wěn)壓器來驅(qū)動LED;若電流介于200 mA至500 mA之間,既可以采用開關(guān)穩(wěn)壓器,也可以采用線性穩(wěn)壓器;若電流低于200 mA,則可以采用線性穩(wěn)壓器,或分立器件方案,如電阻驅(qū)動電路。

就低于200 mA的低電流LED照明應(yīng)用的驅(qū)動方案而言,線性穩(wěn)壓器或電阻驅(qū)動電路各有其優(yōu)劣勢。例如,線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡單,易于設(shè)計,提供穩(wěn)流及過流保護(hù),具有外部電流設(shè)定點(diǎn),且沒有電磁兼容性(EMC)問題,但功率耗散和成本較高,而能效較低。電阻型驅(qū)動器利用電阻這樣的簡單分立器件來限制LED串電流,是最本最低的LED驅(qū)動方案,同樣易于設(shè)計,且沒有EMC問題,但這種方案的突出問題是輸入電壓變化時電流隨之變化,從而引起亮度變化,不能保持恒定亮度。

從客戶需求角度出發(fā),市場上許多客戶需要比線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟(jì)、但在性能上又比電阻驅(qū)動電路高出許多的驅(qū)動方案。在這種背景下,安森美半導(dǎo)體運(yùn)用正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術(shù),結(jié)合自身超強(qiáng)的工藝控制能力,推出一種新的LED驅(qū)動方案——NSI45系列雙端線性恒流穩(wěn)壓器(CCR)。

CCR的特性及應(yīng)用優(yōu)勢

安森美半導(dǎo)體的CCR可以表征為可變電阻。隨著CCR兩端電壓上升,內(nèi)部阻抗也上升,從而維持接近穩(wěn)流電流(Ireg)規(guī)格的電流。CCR還有負(fù)溫度系數(shù),故在CCR耗散功率(溫度上升)時,內(nèi)部阻抗增加,使電流減小。

圖1:CCR結(jié)合電阻型驅(qū)動器與線性穩(wěn)壓器所長
圖1:CCR結(jié)合電阻型驅(qū)動器與線性穩(wěn)壓器所長。

與電阻型驅(qū)動方案相比,安森美半導(dǎo)體的NSI45系列CCR具有突出的優(yōu)勢,例如交流電壓增加時仍保持恒流、達(dá)到LED閾值電壓后LED導(dǎo)通無延遲、低電壓時LED保持明亮,以及保持LED免受電壓浪涌影響等。此外,得益于CCR的恒流特性, 客戶可以減少或消除源自不同供應(yīng)商提供的不同LED的額外成本,降低系統(tǒng)總成本。

在各種低電流應(yīng)用中,諸如裝飾照明、工作燈、室外照明、景觀照明、柜臺照明和LED平板照明等建筑物和通用照明中,也可以直接采用交流電源供電。交流市電輸入經(jīng)過橋式整流后,只需要保證輸入電壓減去LED串總電壓后所剩下的電壓不超過CCR的最大陽極至陰極電壓(VAK)即可,顯示CCR非常易于用于設(shè)計。典型電路圖參見圖2。

 圖2:基本LED交流應(yīng)用原理圖
圖2:基本LED交流應(yīng)用原理圖。

CCR應(yīng)用設(shè)計示例[page]

我們既可以采用CCR來開啟新的設(shè)計,也可以采用CCR來修改既有設(shè)計。本文將主要以新設(shè)計為例,探討采用SOT-223封裝的CCR器件在110 Vac及220 Vac均方根(RMS)輸入條件下在交流照明中的應(yīng)用,簡述其設(shè)計過程。由于全波橋整流的脈沖工作,穩(wěn)態(tài)電流為30 mA的CCR在交流應(yīng)用中的均方根電流為22 mA。CCR在交流電路中的工作電壓范圍為1.8 V至45 V。LED導(dǎo)通時間取決于LED串的正向壓降(VF)。本應(yīng)用的參考電路中,CCR導(dǎo)通時間約是峰值電壓導(dǎo)通時間的一半。因此,約有50%的時間內(nèi)LED處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此,LED均方根電流是穩(wěn)流電流的約50%。

我們需要根據(jù)設(shè)計參數(shù)選定LED數(shù)量。設(shè)計參數(shù)是110 Vac RMS,±10%,HB LED (20 mA電流時VF為3.3 V)。先針對Vin=+10%(最大值)展開分析。

最大輸入電壓Vin (max)=110 V rms +10% = 120 V rms
整流峰值電壓Vpeak=120 V rms x 1.414 =170 V
LED串總正向壓降=170  V(peak Vin)-45 V(Vak max)=125 V (LED串VF )

故LED數(shù)量為:125 V/3.3 V=38 LED

再針對先針對Vin=-10%(最小值)展開分析。

測試最小輸入電壓Vin (min)=110 Vrms-10%=100 Vrms
整流峰值電壓Vpeak=100 Vrmsx1.414=141 V
CCR陽極至陰極電壓Vak=141 V-125 V=16 V

Vak范圍將隨著LED串中LED數(shù)量的變化而變化。另增3顆LED將使Vak范圍設(shè)定為6 V到35 V。增加的HB LED提供更高的流明輸出并減少CCR散熱。

圖3:CCR用于直接交流供電LED照明應(yīng)用的電路圖
圖3:CCR用于直接交流供電LED照明應(yīng)用的電路圖。

交流均方根電壓經(jīng)過全波整流后轉(zhuǎn)換為頻率為120 Hz的直流脈沖動。當(dāng)這電壓超過LED串與橋整流器正向壓降之和時,CCR導(dǎo)通,控制電流,并將LED與峰值整流電壓隔離開來。

根據(jù)圖3,CCR的功率耗散計算公式如下:
P=(Vak rms)x(IREG*占空比)=(120 Vbr rms-(38x3.3 V LEDx0.707))x(30 mAx50%)
 =31 V rms x 15 mA=465 mW

帶面積100平方毫米、重量1盎司的銅散熱片的SOT-223封裝工作溫度可達(dá)85℃。我們采用示波器測試了110 V±10%交流RMS輸入條件下38顆串聯(lián)LED應(yīng)用電路板,穩(wěn)流電流以100 Ω、精度1%的感測電阻來測量,相關(guān)跡線圖詳見參考設(shè)計方案(雙端線性恒流穩(wěn)壓器CCR在交流供電低電流LED照明中的應(yīng)用)。值得一提的是,CCR也可以并聯(lián)工作,從而增加提供給電路的穩(wěn)流電流。當(dāng)然,CCR電流越大,電路的功率耗散也隨之增加。

上述設(shè)計探討的是110 Vac設(shè)計條件。當(dāng)然,CCR同樣也可以用于220 Vac設(shè)計,所要做的就是增加LED數(shù)量。LED數(shù)量的計算過程參照上述計算進(jìn)行。

除了在新設(shè)計中使用CCR,也可以在既有設(shè)計中使用CCR,同樣非常簡單。我們假定這既有設(shè)計使用24顆LED(22 mA電流時VF為3.3 V),其它參數(shù)相同,即110 Vac RMS,±10%。為了將CCR保持在其工作電壓限制范圍(最大VAK為45 V)以內(nèi),我們需要在電路中增加一顆串聯(lián)降壓電阻(Rs),并計算其阻值。

同樣,最大輸入電壓為120 V rms,整流峰值電壓為170 V,而LED串正向壓降為24x3.3 V= 79.2 V。因此,串聯(lián)降壓電阻所要求的電壓降可用下述公式計算:

Vdrop, RS=Vpeak-(VF LEDs PK+VAK CCR pk+VRsense pk)
             =170 V-(79.2 V+45 V+4V)=41.8 V

CCR峰值電流為34 mA;因此,Rs=41.8 V/0.034 A=1229 Ω。實(shí)際測試電路選擇的是1200 Ω的Rs。因此,功率耗散為VxI=1.42 W pk或1.0 W RMS。

使用1200 Ω串聯(lián)降壓電阻來在最小輸入電壓條件下測試。這時整流峰值電壓為100 Vrms x 1.414=142 V,故CCR Vak為141 V-(79.2 + 41.8 +4) =16 V,同樣保持在工作電壓限制范圍以內(nèi)。

總結(jié):

在建筑物及通用照明等可以采用交流供電的低電流LED照明應(yīng)用中,安森美半導(dǎo)體的NSI45系列雙端線性恒流穩(wěn)壓器與普通線性穩(wěn)壓器相比成本更低,但性能上又比常見的電阻驅(qū)動電路方案高出許多,是一種高性價比及可靠的LED驅(qū)動方案,且設(shè)計過程非常簡單,既可用于新設(shè)計,也可非常方便地用于修改既有設(shè)計。

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