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高壓離線式高亮度LED的新型恒流控制電路

發(fā)布時間:2008-10-11 來源:電子設(shè)計應(yīng)用

中心論題:

  • 二極管串
  • 維持電流
  • 同步降壓結(jié)構(gòu)

解決方案:

  • 將LED串聯(lián)保證二極管串中的每個高亮度LED輸出亮度
  • 比較VIFB和VIFBTH來調(diào)節(jié)輸出電流
  • 轉(zhuǎn)換器改為同步降壓結(jié)構(gòu)可以提高電路效率

HB-LED (高亮度發(fā)光二極管)正越來越廣泛地應(yīng)用于多個領(lǐng)域。其如此受歡迎的原因是它具有很多吸引 OEM和終端用戶的特點。高亮度LED結(jié)合了高效率、小體積、低電壓運行等特點,從而比傳統(tǒng)照明設(shè)備更為靈活。這種燈具有出色的低溫性能、色飽和度和亮度,以及較長的工作壽命。其不含汞的特性在照明行業(yè)向清潔技術(shù)發(fā)展的環(huán)保形勢下,更具優(yōu)勢。

但由于LED預(yù)封裝的功率和工作電流分別達到了 5 W 和1.5 A,設(shè)備較大的制造容差表明,采用傳統(tǒng)的控制方法(如阻性電流限制)既不精確、效率又低。新電路滿足了精確和高效電流控制的需求,并且在某些情況下可簡化應(yīng)用級別設(shè)計,降低成本。

二極管串
高亮度LED的亮度和色彩都取決于正向電流。要保證二極管串中的每個高亮度LED輸出亮度,可以將其串聯(lián)。但這種結(jié)構(gòu)需要電流控制電路具有較高的電壓。由于高亮度LED的 IV 曲線過于陡峭,影響VF(正向電壓)制造容差的存在,同時,VF有隨溫度漂移等問題,并聯(lián)效果也不好。例如,Lumiled 公司Luxeon III 的VF在不同部分的差異可達到20%(表 1)。

盡管燈的電氣參數(shù)會發(fā)生變化,高亮度LED串的驅(qū)動電路還要保持恒定的平均負載電流。與高亮度LED串聯(lián)的小傳感電阻可提供二極管串電流的持續(xù)反饋。

接地參考的傳感電阻簡化了電流傳感電路,但在降壓轉(zhuǎn)換器中需要高壓驅(qū)動電路。要避免使用隔離變壓器,在設(shè)計中必須選擇高邊檢測和低電壓驅(qū)動電路,或者低邊檢測和高壓驅(qū)動電路。實現(xiàn)后者的一種有效方法是,采用有時間延遲滯后控制的高壓降壓驅(qū)動電路(見圖 1)。

維持電流
該電路的控制器通過比較反饋電壓VIFB和一個標稱的0.5V內(nèi)部參考電壓VIFBTH來調(diào)節(jié)輸出電流。如果VIFB 低于VIFBTH,MOSFET導(dǎo)通,從而通過直流總線為高亮度LED串供電。同時,LC 諧振電路在VIFB 增大時存儲能量。當VIFB 達到閾值VIFBTH 時,MOSFET 在電路固有的固定時間延遲之后關(guān)閉。

該延遲允許VIFB 在MOSFET關(guān)閉之前超過閾值。在MOSFET 關(guān)閉后,諧振電路釋放其存儲的能量,為二極管串供電。在此期間,VIFB 逐漸降低,直到達到固定的閾值。比較器在閾值點打開或關(guān)閉,電路的延遲允許VIFB 在MOSFET 打開之前繼續(xù)降低,從而開始下一個循環(huán)。

固定時間延遲及相應(yīng)的電路連續(xù)開關(guān)促使控制器將二極管串電流調(diào)節(jié)到平均值IOUT(AVG),該值為VIFBTH (標稱0.5V)及傳感電阻RCS的整數(shù)商數(shù)。只要LC 振蕩電路能維持足夠低的紋波電壓—小于0.1V,這種關(guān)系就會成立。

只要輸出電壓的值保持在一定范圍內(nèi),這種利用控制器的延遲實現(xiàn)滯后的調(diào)節(jié)方式就可促使降壓轉(zhuǎn)換器自行調(diào)節(jié)。提高輸入輸出電壓比會加大電流紋波。輸入電壓和電流限制的需求確定了占空比。這種結(jié)構(gòu)提供了連續(xù)而精確的電流控制,且不受輸入和高亮度LED正向電壓波動影響。

圖 2 、圖3 及表 2、表3 顯示了這種電路在90 ~265 VAC的通用輸入電壓范圍內(nèi),以350 mA驅(qū)動兩個有6個串聯(lián)LUXEON FLOOD 25-0032 HB-LED板時的結(jié)果。表 2 顯示了在輸入電壓范圍內(nèi)良好的電流調(diào)節(jié)。圖 2 和圖3 說明了正如理論所示的,由于占空比較小,輸入電壓較高時紋波較差。這表明在主電壓較低的地區(qū),如北美和日本,設(shè)備性能更加良好。然而,即使在最差的條件下,只要控制器輸入電壓保持在90 ~265 VAC的范圍內(nèi),仍可對電流進行適時調(diào)節(jié)。同時對只使用6個HB-LED板的系統(tǒng)進行了測量(見表 3) ,對比結(jié)果發(fā)現(xiàn),±1.3%的調(diào)節(jié)差距導(dǎo)致負載電壓的差距高達33.4V ~16.4V。  


由于這種結(jié)構(gòu)的效率為總線輸出電壓的反函數(shù),因此,6個HB-LED 的系統(tǒng)效率低于12個HB-LED的系統(tǒng),如表 3中所示。6個HB-LED 系統(tǒng)的效率也可以通過修改諧振電路來提高。

同步
將轉(zhuǎn)換器改為同步降壓結(jié)構(gòu)可以提高電路效率,同時最少地增加電路復(fù)雜性和成本,特別是對于負載電流和輸入電壓較高的系統(tǒng)(見圖 4)。由于總線輸出電壓決定了降壓轉(zhuǎn)換器的占空比,該值較大的系統(tǒng)中,開關(guān)周期的大部分時間都由低壓設(shè)備控制。通常,MOSFET的I2RDS(on) 導(dǎo)通損耗比二極管的VI 耗散項小。可是,要比較兩種結(jié)構(gòu),還要考慮由二極管反相恢復(fù)時間造成的損耗與MOSFET的寄生二極管損耗的大小。

當高壓部分的MOSFET 導(dǎo)通時,公共節(jié)點電壓VS 迅速地從接地電壓滑向VBUS ,同時,低壓部分MOSFET 或二極管在反相恢復(fù)時間將VS 電流導(dǎo)向接地點。這會對低壓部分的開關(guān)設(shè)備造成功耗大、散熱多、增加元件的壓力。二極管的反相恢復(fù)時間通常比MOSFET寄生二極管短。在低頻和較小負載電流下,MOSFET 寄生二極管的恢復(fù)時間較長并不會引起任何問題。但在頻率和電流較高的情況下,一定要比較低邊設(shè)備每個結(jié)構(gòu)的總損耗,以優(yōu)化設(shè)計。

要降低MOSFET 寄生二極管的反相恢復(fù)損耗,可與MOSFET并聯(lián)一個肖特基二極管。由于兩種設(shè)備正向電壓存在差異,在開關(guān)空載時間,電感會消耗通過肖特基的電流。當高邊FET 導(dǎo)通時,由于寄生二極管不會在正向?qū)J较逻\行,肖特基二極管較快的反相恢復(fù)時間將主導(dǎo)電路的活動。在低邊導(dǎo)通間隔,MOSFET較低的RDS(on) 可保證較低的導(dǎo)通損耗。

 

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