一、離線式LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保的綠色光源產(chǎn)品，LED擁有廣闊的市場(chǎng)前景。市場(chǎng)現(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)上千款LED驅(qū)動(dòng)IC。其中我們遇到比較多的是單芯片線路結(jié)構(gòu)（圖1a）。

　　根據(jù)IC的數(shù)據(jù)表可知，這類IC為工作于PWM方式的高效LED驅(qū)動(dòng)控制電路，借助于外部電路，能適應(yīng)從8V到450V 的寬輸入電壓范圍。通過外部的電阻（或電容）可設(shè)定固定頻率控制外部功率MOS管，以恒流的方式可靠地驅(qū)動(dòng)LED串。LED的電流可以通過選擇恰當(dāng)?shù)南蘖麟娮鑱碓O(shè)定。同時(shí)提供線性調(diào)光功能，支持低頻可變占空比的數(shù)字脈沖（PWM）調(diào)光功能。

　　根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，其驅(qū)動(dòng)方案可以分為三種。

　　按照PWM調(diào)節(jié)方式，可以分成恒定頻率和恒定關(guān)斷時(shí)間兩類（圖1）。

　　在穩(wěn)定狀態(tài)下加在電感兩端的電壓乘以導(dǎo)通時(shí)間等于關(guān)斷時(shí)刻電感電壓乘以關(guān)斷時(shí)間：Von*Ton=Voff*Toff，即（Vin-Vo）*Ton=Vo*Toff。

　　從電感的計(jì)算公式可以看出這兩者之間的差異性，圖1a中的電感計(jì)算式為L = （Vin–Vo） * Ton /ΔI ，圖1b中的電感計(jì)算式為L＝Vo*Toff/ΔI。Io=Ip-ΔI /2。如圖2所示電流波形示意圖，電感確定后，圖2a中輸入電壓Vin變化導(dǎo)致紋波電流ΔI變化，以致輸出電流變化；圖2b中的紋波電流ΔI與輸入電源電壓無關(guān)。因此在電壓波動(dòng)較大的寬電壓應(yīng)用環(huán)境下，使用恒定關(guān)斷時(shí)間電路方式。

　　按照是否隔離，可以分成隔離和非隔離兩類。

　　隔離和非隔離驅(qū)動(dòng)方式主要針對(duì)市電交流輸入而言。當(dāng)采用圖3a的非隔離方式時(shí)，建議工作在電流連續(xù)模式；當(dāng)采用圖3b的隔離方式時(shí)，建議變壓器工作在非連續(xù)方式（即每個(gè)周期結(jié)束時(shí)，變壓器無剩磁），這樣可以保證每次開關(guān)周期，變壓器原邊傳送給副邊的能量相同（與電源電壓無關(guān)）。

　　圖3b隔離方式為反激式電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，原邊繞組電流增加，副邊繞組無電流，負(fù)載通過C2續(xù)流。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，副邊繞組導(dǎo)通，變壓器存儲(chǔ)的能量通過副邊繞組釋放為負(fù)載。變壓器轉(zhuǎn)移功率P＝1/2*Imax*Imax*L*Fosc。采用這種隔離方式時(shí)，必須注意副邊不在環(huán)路控制中，有可能出現(xiàn)大電流從而損害LED。使用時(shí)必須增加保護(hù)電路限流。

　　按照電源類別，可以分成交流和直流兩類。

　　當(dāng)交流市電作輸入時(shí)，只需要將電源電壓整形濾波后接入直流應(yīng)用電路。

　　基于AX2028的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　LED產(chǎn)品對(duì)其驅(qū)動(dòng)電源的要求包括：穩(wěn)定、可靠、高效、通用。AX2028是一款LED驅(qū)動(dòng)恒流控制芯片，系統(tǒng)應(yīng)用電壓范圍為12VDC至600VDC，占空比為0～100%，固定關(guān)斷時(shí)間工作模式。它支持交流85V～265V輸入，非隔離和隔離應(yīng)用方案。AX2028采用獨(dú)特的技術(shù)進(jìn)行恒流控制和補(bǔ)償方法，使LED電流在交流85V～265V范圍內(nèi)變化小于±3％。AX2028采用優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)效率高于92％。可廣泛應(yīng)用于E14、E27、PAR30、PAR38、GU10等燈杯和LED日光燈。

　　AX2028具有多重LED保護(hù)功能，包括LED開路保護(hù)、LED短路保護(hù)、過溫保護(hù)。在系統(tǒng)故障出現(xiàn)的時(shí)候，電源系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，直到故障解除，系統(tǒng)又重新進(jìn)入正常工作模式。

　　在AX2028_TUBE_18W非隔離應(yīng)用設(shè)計(jì)（圖4）中，LED光源陣列設(shè)計(jì)為0.06W白光LED（SMT或草帽燈）24個(gè)串聯(lián)、12串并聯(lián)的方案，驅(qū)動(dòng)288個(gè)小功率WLED，總功率為18W。

　　電路采用了EMI抑制電路、整流濾波電路、填谷PFC電路、AX2028恒流系統(tǒng)電路來驅(qū)動(dòng)LED工作。

　　AX2028_TUBE_12W簡化板應(yīng)用方案的性能指標(biāo)如下：

　　寬電壓AC 85～265v；輸出 12串12并

　　電流220MA±1MA（輸出電流可調(diào)）

　　電壓調(diào)整率：1%

　　負(fù)載調(diào)整率：3%

　　電源效率＞88%

　　PFC＞0.92

　　THD＜45

　　短路保護(hù)

　　開路保護(hù)；空載輸出限壓＜48V（限壓可調(diào)）

　　MOS溫升＜20℃

　　規(guī)格指標(biāo)：

　　單面PCB布局

　　190mm*16mm*11mm，適合T8、T10、日光燈管

　　不易導(dǎo)致器件虛焊，貼片采用豎式排列

　　無噪聲

　　采用獨(dú)特電路結(jié)構(gòu)，無閃爍

　　高性價(jià)比

　　對(duì)于非隔離的燈具，其設(shè)計(jì)原理可延用上述LED日光燈應(yīng)用典型方案設(shè)計(jì)思路經(jīng)行選擇，改變LED光源排列方式，則可以變換成各種不同形式的LED燈具。針對(duì)各種LED燈具對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的不同要求，可以改變電源的輸出特性設(shè)計(jì)來滿足各不相同的需求。AX2028可應(yīng)用于設(shè)計(jì)隔離與非隔離的球泡燈、PAR燈、筒燈、嵌燈、洗墻燈、臺(tái)燈、可控硅調(diào)光燈等LED光源燈具的驅(qū)動(dòng)電源。

　　本文小結(jié)

　　AX2028在設(shè)計(jì)上的重大改進(jìn)使得性能更趨完善，固定Toff工作模式、高占空比、高達(dá)92%的效率、高恒流精度等特性，使其更適用于LED照明燈具的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)用。

　　二、TPS92070低功耗離線LED的照明解決方案

　　TPS92070是一種先進(jìn)的低功耗，離線LED照明應(yīng)用中使用的PWM控制器理想。綜合調(diào)光接口電路，TPS92070具有非耗散調(diào)光，觸發(fā)控制電路。TPS92070控制器提供直流LED電流無光度的漣漪效應(yīng)。直流電流也導(dǎo)致在更高的LED的功效。TPS92070提供指數(shù)控制光輸出基于外部調(diào)光器的位置。填谷電路實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。一次檢測(cè)前沿調(diào)光器，TPS92070套禁用PFC電路的輸出，從而優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)程序的操作。實(shí)現(xiàn)深度調(diào)光的LED電流檢測(cè)精度誤差放大器。TPS92070主要特性：先進(jìn)的集成調(diào)光接口的非耗散TRIAC調(diào)光器管理燈燈在亮度均勻性沒有低頻的光度脈動(dòng)指數(shù)調(diào)光簡介創(chuàng)新的二次側(cè)反饋，無需光耦器件超過5％的LED電流調(diào)節(jié)更好的可編程最小LED電流谷開關(guān)和DCM降低EMI和提高效率的運(yùn)作前沿調(diào)光器檢測(cè)功率因數(shù)》 0.8 逐周期電流限制保護(hù)低啟動(dòng)和待機(jī)電流PWM MOSFET驅(qū)動(dòng)器集成熱關(guān)閉的16引腳TSSOP封裝的TPS92070應(yīng)用：LED燈泡更換LED燈具的LED嵌燈的LED洗墻燈圖1。TPS92070方框圖圖2。TPS92070應(yīng)用電路圖230VAC輸入TPS92070EVM-648調(diào)的光的LED照明驅(qū)動(dòng)器TPS92070EVM-648的綜合調(diào)光的LED照明驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為230 VAC輸入1低功率隔離反激式轉(zhuǎn)換器，提供5板上發(fā)光二極管與該TPS92070EVM-648評(píng)估模塊（EVM）， 370 mA的驅(qū)動(dòng)電流從額定230 VAC輸入。該EVM旨在展示在一個(gè)典型的應(yīng)用程序，其中可用于普通照明應(yīng)用需要調(diào)光的LED TPS92070 評(píng)估模塊使用在低功率離線反激式轉(zhuǎn)換器TPS92070高效率的集成調(diào)光LED照明驅(qū)動(dòng)器控制器提供370 mA的到主板上的LED負(fù)載。輸入接受一個(gè)標(biāo)稱50赫茲，230 VAC輸入電壓。TPS92070EVM-648被設(shè)計(jì)成系列前沿可控硅調(diào)光器的輸入電壓開關(guān)來控制LED的流明輸出。的綜合調(diào)光的TPS92070接口電路提供指數(shù)控制光輸出的外部調(diào)光器的位置。本用戶指南的原理圖，元件清單，裝配圖和測(cè)試設(shè)置最多必要的，以評(píng)估在一個(gè)AC輸入的TPS92070 LED照明應(yīng)用。A.使用大于240伏交流輸入電壓，建議用戶更換保險(xiǎn)絲，至少有300伏的額定電壓在1 TPS92070EVM-648調(diào)光的LED照明驅(qū)動(dòng)器主要特性：TPS92070EVM-648的功能包括：?180 VAC至240 VAC輸入范圍370的LED電流調(diào)節(jié)毫安，標(biāo)稱6 W的16.5 V輸出先進(jìn)的綜合調(diào)光接口?指數(shù)調(diào)光個(gè)人資料?可編程最小的LED電流?谷交換和DCM工作前緣調(diào)光檢測(cè)填谷功率因數(shù)校正?周期電流限制保護(hù)周期TPS92070EVM-648調(diào)的光的LED照明驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用：該TPS92070是在低功率照明應(yīng)用，如使用適合：?LED的光燈泡的更換?LED的燈具?LED的下降，燈?LED的墻

　　三、離線LED控制電路的實(shí)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(dú)電子會(huì)在半導(dǎo)體材料的p-n結(jié)上跳動(dòng)（由n區(qū)到p區(qū)）。有些半導(dǎo)體（如鎵）的帶隙十分寬闊，電子需要相當(dāng)大的能量才能跳過p-n結(jié)。每個(gè)電子與原子復(fù)合，就會(huì)發(fā)射出一種光粒子，稱為“光子”。由于所有光線都在結(jié)點(diǎn)上一個(gè)十分細(xì)小的空間內(nèi)產(chǎn)生，所以只能形成點(diǎn)光源，需要很多LED才能照亮一個(gè)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(yù)熱，但電流必須保持恒定，且需配合每個(gè)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(yīng)用要求。表1比較了熒光燈與LED的電路要求。

　　包含一個(gè)阻止鎮(zhèn)流器產(chǎn)生噪聲的輸入過濾器、一個(gè)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(gè)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(gè)用于預(yù)熱、觸發(fā)和運(yùn)行熒光燈的諧振輸出級(jí)。另外還需加入一些附加的電路才能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)光功能，包括一個(gè)隔離型0~10VDC調(diào)光接口、一個(gè)測(cè)量燈電流的檢測(cè)電路，以及一個(gè)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(dāng)?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?yàn)榘霕蛱峁┧璧母摺⒌投?a target="_blank">柵極驅(qū)動(dòng)，包括所有調(diào)光功能，同時(shí)針對(duì)交流及負(fù)載故障，為電路提供完善的保護(hù)。芯片的其中6個(gè)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(gè)引腳（VCO、DIM） 實(shí)現(xiàn)其他功能，即預(yù)熱、觸發(fā)和調(diào)光（見圖2）。

　　圖2 IRS2530D器件的引腳分配及功能

　　當(dāng)一個(gè)電壓（典型14V）首次加到VCC，集成電路就會(huì)從欠壓鎖閉（UVLO）模式進(jìn)入預(yù)熱/觸發(fā)模式。半橋會(huì)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(duì)外部電容器線性充電（見圖3）。

　　圖3 預(yù)熱、觸發(fā)及調(diào)光時(shí)序圖

　　隨著VCO電壓增加，諧振回路電感器的次級(jí)繞組又會(huì)給燈絲加熱，輸出頻率會(huì)下降。VCO電壓充好之后，頻率會(huì)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(huì)上升。輸出電壓超越了燈的觸發(fā)電壓時(shí)，燈會(huì)點(diǎn)燃起來，電流也會(huì)開始流動(dòng)，使芯片進(jìn)入調(diào)光模式。

　　在調(diào)光模式下，電路以一個(gè)電流檢測(cè)電阻（RCS）來測(cè)量交流燈電流。測(cè)量結(jié)果會(huì)通過一個(gè)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(hào)會(huì)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(dāng)交流谷值保持于COM，直流參考值會(huì)上升或下降，交流燈電流幅值也相應(yīng)增減。直流參考結(jié)合交流燈電流，一個(gè)引腳可同時(shí)支持參考及反饋功能，實(shí)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?fù)湓O(shè)計(jì)，用于產(chǎn)生通過一串LED所需的恒定電流。這些拓?fù)涓饔袃?yōu)劣，一切取決于輸入電壓范圍、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)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。基于上述原因，電路設(shè)計(jì)往往變化多端，以滿足不同LED應(yīng)用的需求。新型電路是由調(diào)光型熒光燈應(yīng)用略為改進(jìn)而得到的諧振模式電路，適用于不隔離的離線應(yīng)用。它能夠驅(qū)動(dòng)一或多個(gè)串聯(lián)的LED，又可輕松擴(kuò)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(jì)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(jí)經(jīng)過改進(jìn)，可由熒光燈改為驅(qū)動(dòng)LED。它也不需給負(fù)載預(yù)熱或觸發(fā)，因此可把諧振回路改為一個(gè)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(gè)全波橋式整流器，使電流在每個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)都會(huì)流經(jīng)LED。

　　交流電流檢測(cè)仍然通過一個(gè)置于整流器底部和COM之間的電阻器來進(jìn)行，并且對(duì)全波整流LED電流幅值直接進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果會(huì)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(huì)連續(xù)調(diào)節(jié)半橋開關(guān)電路，確保標(biāo)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(dāng)調(diào)節(jié)。假如LED電流下降，環(huán)路就會(huì)降低頻率，從而提高諧振回路的增益，增強(qiáng)LED電流。假如LED電流上升，環(huán)路就會(huì)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(duì)交流線路、負(fù)載和溫度的變化保持LED電流恒定，也用于一或多個(gè)串聯(lián)LED上。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了在正常啟動(dòng)和工作狀態(tài)下的波形（見圖6及圖7）。

　　圖6 啟動(dòng)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(shí)標(biāo)=50msec/div

　　圖7 啟動(dòng)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(shí)標(biāo)=5μsec/div

　　當(dāng)交流線路電壓首次導(dǎo)入，VCC會(huì)充電，啟動(dòng)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(fù)責(zé)。LED電流（通過電阻器RCS來測(cè)量）隨著頻率的下降而增加，使DIM引腳上的交流信號(hào)的振幅增加，直到交流信號(hào)的谷值到達(dá)COM（見圖6）。

　　然后集成電路便進(jìn)入調(diào)光模式，調(diào)光環(huán)路生效。調(diào)光環(huán)路會(huì)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出頻率，確保DIM引腳上的交流信號(hào)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(diǎn)（VS引腳）的兩倍頻率。基于電路的諧振，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(shí)現(xiàn)標(biāo)稱LED有效值電流。

　　IRS2530D還包含可針對(duì)所有交流線路和負(fù)載故障情況提供完善保護(hù)的額外電路，包括交流電源掉電、開路（無負(fù)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(duì)LED的需要提供良好的恒流調(diào)節(jié)功能，又可輕松擴(kuò)展，適應(yīng)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(dòng)熒光燈和LED應(yīng)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(fù)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(cè)所有故障狀態(tài)，然后安全地把電路停止。假如需進(jìn)一步改進(jìn)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。