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一種經過改善且點亮一串LED串的離線驅動器

2013年04月01日  | Yan-Niu Ren

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對於LED驅動來說,恆流(constant current)法要比恆壓(constant voltage)法好。在本文所提出的電路中,常用於LED的恆壓穩壓器被換成了一個恆流源。另外,一個啟動限流器(startup current limiter)用於抑制大的浪湧電流,而電壓斬波器(voltage chopper)則可以用於寬達96至260 VRMS的交流輸入電壓範圍。

圖 1
圖1 圖中電路以恆流驅動一串LED,可用於全世界的各種交流電壓。與LED串聯的電阻便通過其上壓降測量出LED電流。



本文中的概念源自於在2011年所刊載的兩篇設計實例(參考文獻1參考文獻2),經過改善後,功率效率改善了,且成本更低。圖1圖2中的電路都有著相同的無電感斬波器,以及有爭議的功率效率問題。為提高功率效率,應遵循以下兩個原則:斬波器電阻的熱耗應儘量小;斬波器應在適當的閾值電壓VTH時進行切換。另外,VTH應儘量接近LED串的工作電壓。這種方法可盡量地減少恆流穩壓器(CCR)的功耗,同時還能維持一個恆定的LED電流。

圖 2
圖2 斬波工作與圖1中的電路類似;但以較大的LED串聯電阻代替了恆流源,提供限流的功能。



圖3電路是遵循以上原則的一個實例,功率效率約為85%。穩壓器IC1和R5構成一個20 mA的CCR。LED串中包含了足夠數量的LED,在20 mA時需要120V。R6上的電壓提供了一種間接測量LED電流的方法。

圖 3
圖3 圖中電路通過嚴格控制開關的閾值,只提供剛好足夠的LED電壓,從而提高了效率。



VTH是經二極體橋全波(full-wave)整流的輸出電壓,在經R1至R3分壓,超過D5的68V偏壓,使Q1導通,Q2關斷。Q2導通時,C1快速充電到VTH,然後通過LED串緩慢放電,直到即將到來的交流的下一個半週期。

在C1放電結束時,VTH不得低於維持LED工作所需要的120V電壓,也不能超過最低交流電平VRMS的1.414倍。當LED需要120V電壓時,還要加上IC1所需要的3V輸入-輸出壓差,再加上R5的1.25V電壓,於是最低C1電壓將是124.25V。為簡化起見,本圖取整數,為125V。


 


圖4圖中的黃線和藍線分別代表電路在220 VRMS時(50 Hz ac)C1和R6上的電壓。當交流輸入從96 VRMS改變為260 VRMS時,兩條線保持在相同位置。


圖4所示,在一個10 ms的50 Hz半週期內,C1放電時間遠遠長於充電時間。在此期間,C1兩端的峰峰電壓值(peak-to-peak voltage)大約為20 mA × 10 msec/22 μf= 9.09V。於是,UC1_MAX= 125V+ 9.09V = 134.09V。為簡單起見,該值亦取整數,為135V。這個值就是VTH;任何大於該值的電壓都會使Q1導通,而由Q2斬斷。

當Q1導通時,圖3中R4在260VRMS輸入時的功耗小於20 mW,而R1-R2-R3-D5分壓器功耗小於100 mW。與LED的2.4W功耗相比,此一結果幾乎可忽略不計。這些電阻值較大,因此功耗也低。R3用於精確調節VTH,以配合LED串上的實際壓降。

電路中有一個啟動限流器,用於限制通過C1和Q2的浪湧電流,浪湧電流的出現是在剛達到VTH前的週期,正好加上了交流電時。限流電阻會降低每一週期的效率,而R9只將上電浪湧限制在1.35A,直至C2充電到足以導通Q3時為止。

當交流輸入增加時,斬波器的功耗略為上升,而功率效率則稍有下降,如表1所示。

圖 表


此一經過改善的電路可以在96至260V ac(50 Hz)工作。對較大的LED電流,建議提高C1的容量,降低電阻R5阻值。如果LED工作電壓不同,則應重新計算一些參數,計算方法同上。LED工作電壓越低,交流輸入電壓也可以越低。本設計實例亦可適用於60 Hz交流電。

作者註:

1. 採用大電流通孔電阻,或幾顆串聯的表面黏著電阻,要能承受至少400V。考慮短路時的安全問題,建議要使用一條熔絲。

2. 新手實驗的安全警告:本電路中具有可致死的電壓;測試與使用期間要特別小心。可能的話,用一台隔離變壓器,使電路的交流輸入懸浮於大地;不要將示波器機殼懸浮。示波器地沒有隔離,因此不能與電路相連接。

3. 在加有交流電壓時不要按下按鍵。為確保維護時的安全,按鍵使C1通過R10到D8完全放電。



參考文獻

1 Sheard, Steve, “Driver circuit lights architectural and interior LEDs,” EDN, Aug 11, 2011, pg 41, www.edn.com/4368306.

2 Babu, TA, “Offline supply drives LEDs,” EDN, April 21 2011, pg 58, www.edn.com/4369648.




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