用于MR16 LED的1W至5W LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)

?近年來(lái)，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)市場(chǎng)快速發(fā)展，LED效能(efficacy，單位為流明/瓦或lm/W)增加了一倍以上，使用更加適用于眾多新應(yīng)用，如我們?cè)谑殖蛛娡病⒔ㄖ彰骷敖值勒彰鞯葢?yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)諸多革命性的新產(chǎn)品。但LED要成為比白熾燈和緊湊型熒樂(lè)燈性價(jià)比更高的照明系統(tǒng)，仍然面臨著挑戰(zhàn)。實(shí)際上，就許多應(yīng)用而言，都涉及到基于寬輸入電壓范圍的電源來(lái)為HB-LED供電的挑戰(zhàn)。其中，軌道照明等通用照明應(yīng)用尤為如此，這些應(yīng)用采用可能很松散穩(wěn)壓的12 Vac或12 Vdc電源。然而，LED需要以電流源而非電壓源驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楦鶕?jù)工藝容限及溫度的不同，HB-LED的正向電壓(額定值3.4 V)變化幅度可能超過(guò)±20%。

????? 此外，就當(dāng)前的1 W暖白光功率LED的流明量而言，通常需要3到4顆LED來(lái)替代1個(gè)20 W白熾燈的光輸出。而要獲得可預(yù)期及匹配的亮度和色度，也需要以恒定電流驅(qū)動(dòng)LED。從架構(gòu)角度來(lái)說(shuō)，降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合這個(gè)要求，但它不如標(biāo)準(zhǔn)降壓或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)那樣常見(jiàn)。但理解透徹的話，降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以為輸入電壓(Vin)與正向電壓(Vf)有交疊的高性價(jià)比HB-LED照明應(yīng)用提供眾多優(yōu)勢(shì)。

參考設(shè)計(jì)概覽
????? 本參考設(shè)計(jì)文檔介紹經(jīng)過(guò)精心構(gòu)建及測(cè)試的GreenPoint? 1 W至5 W LED驅(qū)動(dòng)器方案，用于MR16 LED替代應(yīng)用。這參考設(shè)計(jì)電路適合驅(qū)動(dòng)多種照明應(yīng)用中的HB-LED，但其尺寸和配置針對(duì)MR16 LED替代應(yīng)用。這類配置常見(jiàn)于12 Vac/12 Vdc軌道照明應(yīng)用、汽車應(yīng)用、低壓交流景觀照明應(yīng)用，以及工作照明應(yīng)用，如可能采用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成交流電壓墻式適配器供電的櫥柜燈及臺(tái)燈。

????? 這參考設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵考慮因素，是在12 Vac輸入條件下，跨輸入線路變化及輸出電壓變化，實(shí)現(xiàn)平坦的電流穩(wěn)流。這參考設(shè)計(jì)電路基于安森美半導(dǎo)體的NCP3065構(gòu)建，工作頻率約為150 kHz，采用非隔離型配置。NCP3065是一款單片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，支持12 Vdc或12 Vac電源輸入，設(shè)計(jì)用于為HB-LED提供恒定電流。除了NCP3065，這參考設(shè)計(jì)還結(jié)合了自動(dòng)檢測(cè)電路。這參考設(shè)計(jì)的功能框圖如圖1所示。

圖1：安森美半導(dǎo)體用于MR16 LED替代應(yīng)用的1 W至5 W LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint?參考設(shè)計(jì)框圖。

基本電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
????? 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的原理非常簡(jiǎn)單。導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，輸入電壓源直接連接至電感(L)，從而在電感中積聚能量。在這個(gè)階段，電容C為輸出負(fù)載提供能量。關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電感通過(guò)輸出二極管連接至輸出負(fù)載及電容，從而傳輸能量給負(fù)載。

????? 要注意的是這是一種反向(inverting)輸出，負(fù)輸出連接至LED的陽(yáng)極，而正輸出連接至LED的陰極。另外，用示波器探頭來(lái)測(cè)量時(shí)，探頭的接地端并不接地。示波濾器將需要浮置(從交流墻式電源移除接地連接)，否則，接地環(huán)路/短路將導(dǎo)致器件關(guān)閉。

突發(fā)模式控制
????? 基本控制環(huán)路包含235 mV內(nèi)部參考、反饋比較器及2個(gè)設(shè)定優(yōu)先(Set-Dominant) RS閂鎖。基本上，NCP3065支持功率FET在降壓-升壓段導(dǎo)通(switch ON)，這時(shí)反饋電壓降到低于參考電壓。而在Ct下降時(shí)，功率FET將無(wú)條件地強(qiáng)制關(guān)閉。

????? 電阻R8(參見(jiàn)圖5)用于感測(cè)輸入電感電流，并提供給NCP3065的FB引腳。這應(yīng)用產(chǎn)生關(guān)閉時(shí)間瞬時(shí)(Ivalley)電感電流控制。只有在關(guān)閉時(shí)間電感電流穿過(guò)Vref閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間周期才能開(kāi)始。

????? 由于NCP3065控制器并不提供集成的脈寬調(diào)制(PWM)控制，僅利用一個(gè)比較器來(lái)跟蹤(trip)反饋點(diǎn)，因此，峰值負(fù)載電流與平均負(fù)載電流并不象降壓轉(zhuǎn)換器那樣直接成正比，而是符合下列公式：

????? 其中，Ivalley是最低電感電流點(diǎn)。將平均電流(Iave)與輸入電壓(Vin)之比繪成波特圖即可得到動(dòng)態(tài)曲線(見(jiàn)圖2a)，可能會(huì)導(dǎo)致LED光輸出大幅變化。

??????????????????????????????? 圖2：不帶Vin補(bǔ)償及帶Vin補(bǔ)償時(shí)的平均LED電流vs. Vin曲線。

? 因此，使用輸入電壓前饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)減少由于Iout vs. Vin曲線的非線性響應(yīng)導(dǎo)致的誤差。由電阻R3、R5及加法電阻R4組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)(參見(jiàn)圖5)用于增加Vin比例電壓至FB引腳，從而在Vin增加時(shí)降低負(fù)載電流。這就起到使圖2a曲線平坦化的效果，并降低了總體電流誤差(見(jiàn)圖2b)。

????? 電阻R9和電容C6用于限制高輸入電壓外部開(kāi)關(guān)的門(mén)極至源極電壓。由R9和R2組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)定最大門(mén)極至源極電壓(Vgs)：

脈沖反饋電阻
????? 電阻R7與二極管D5用于降低跳脈沖(pulse skipping)的可能性。由于突發(fā)模式控制僅涉及一個(gè)反饋電壓及每周期交叉檢測(cè)，并不包含使用窗口比較器，有可能產(chǎn)生跳過(guò)的脈沖(skipped pulse)，這跳過(guò)的脈沖不會(huì)影響直流調(diào)節(jié)，但如果脈沖有低頻分量，可能會(huì)在LED應(yīng)用中呈現(xiàn)閃爍。

????? R7和D5增加了流至Ct時(shí)序電容C2的電流。這有效地限制了NCP3065可提供的最大占空比。當(dāng)條件允許低占空比時(shí)，R7和D5就使高于所需值的占空比不會(huì)出現(xiàn)。在關(guān)閉期間，需要D7來(lái)阻隔電壓，因?yàn)檫@是降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。更多有關(guān)脈沖反饋補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">信息參見(jiàn)安森美半導(dǎo)體的NCP3065數(shù)據(jù)表。

交流工作Vs.直流
????? 由于有半正弦波輸入至降壓-升壓段，與純粹直流輸入相比，工作點(diǎn)就會(huì)不同。由于小尺寸是這設(shè)計(jì)的一項(xiàng)目標(biāo)，故在全橋整流器后使用了極小的輸入電容。

????? 因此，這樣一來(lái)，根據(jù)所選擇的輸入電容，線路電壓能夠降到低至3 V。故轉(zhuǎn)換器的輸入是全波整流正弦波。由于穩(wěn)壓器在電壓低于約4 V時(shí)不工作(non-functional)，故存在穩(wěn)壓盲區(qū)(dead spot)。因此，我們最后穩(wěn)壓的是120 Hz線路周期中約80%的有限部分，其余約20%則沒(méi)有穩(wěn)壓。采用交流輸入工作時(shí)，這會(huì)降低平均電流約20%。

????? 當(dāng)采用大于12 Vac的電壓工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮散熱問(wèn)題。在多數(shù)應(yīng)用中，這個(gè)模塊會(huì)增加熱耗散。輸入電壓補(bǔ)償增加了額外的交流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而應(yīng)對(duì)不同的工作點(diǎn)。

保護(hù)
????? 齊納二極管Z1和電阻R1，以及NCP3065的限流功能用于開(kāi)路保護(hù)。在出現(xiàn)負(fù)載開(kāi)路事件時(shí)，環(huán)路將嘗試增加輸出電壓以滿足零電流反饋的電流需求。當(dāng)(Vin+Vout)超過(guò)Z1的電壓時(shí)，電流會(huì)流過(guò)R1，觸發(fā)NCP3065的限流功能。

????? 短路保護(hù)通過(guò)輸入端的熔絲F1來(lái)處理。電感型負(fù)載的浪涌保護(hù)也必須慎重考慮，特別是在變壓器饋電系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)攜帶大量的源電感，如景觀照明應(yīng)用中的磁變壓器就是如此。需要選擇恰當(dāng)電壓的浪涌保護(hù)器件，其電壓不能超過(guò)功率FET門(mén)極至源極電壓，并帶有合理電壓余量。這可能要求通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)選擇，因?yàn)楦鶕?jù)需要吸收能量的不同，鉗位電壓可能會(huì)擴(kuò)展。

增加輸出電流
????? 這參考設(shè)計(jì)的配置針對(duì)的是350 mA平均LED電流。增加這參考電路板的電流調(diào)節(jié)點(diǎn)非常簡(jiǎn)單，只需要將電流感測(cè)電阻R8的值減半，即由250 mΩ減至125 mΩ。此外，也必須增加輸入熔絲，以適應(yīng)增大的輸入電流消耗。當(dāng)轉(zhuǎn)向更高功率的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)外殼組件(housing)環(huán)境參數(shù)的不同，可能需要散熱片。

測(cè)試結(jié)果
????? 這參考設(shè)計(jì)在不同交流輸入電壓條件下的輸出電流及在不同直流電壓條件下的能效測(cè)試結(jié)果分別如圖3a及3b所示。其中，如圖3b所示，這參考設(shè)計(jì)在11至17 Vdc范圍下能效高于0.75，這個(gè)能效數(shù)據(jù)在這類低功率應(yīng)用中表現(xiàn)亮眼。

?????????????????????????? 圖3：a) Iout vs. Vac????????????????? ??????????????????? b) 能效 vs. Vdc

參考設(shè)計(jì)電路圖
????? 這參考設(shè)計(jì)電路板的實(shí)物圖見(jiàn)圖4，完整電路圖則見(jiàn)圖5。

????????????????????????????????? 圖4：參考設(shè)計(jì)實(shí)物圖。(尺寸11 mm x 29 mm)。

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????????????? 圖5：安森美半導(dǎo)體用于MR16 LED替代應(yīng)用的1 W至5 W LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)電路圖。

總結(jié)：
????? 本文分析了驅(qū)動(dòng)高亮度LED的挑戰(zhàn)，介紹了安森美半導(dǎo)體用于MR16 LED替代應(yīng)用的1 W至5 W LED驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)，包括基本的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、提供平坦輸出電流的突發(fā)模式控制、脈沖反饋補(bǔ)償、交流與直流工作特性對(duì)比、保護(hù)特性，以及如何修改這參考設(shè)計(jì)以提供更大輸出電流等。測(cè)試結(jié)果顯示，這參考設(shè)計(jì)在不同交流電壓條件下提供較平坦的輸出電流，且在不同直流條件下提供出色的能效。