LED离线电源驱动设计实例 - 全文

　　一、离线式LED驱动电路设计

　　作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，LED拥有广阔的市场前景。市场现阶段已经出现上千款LED驱动IC。其中我们遇到比较多的是单芯片线路结构（图1a）。

　　根据IC的数据表可知，这类IC为工作于PWM方式的高效LED驱动控制电路，借助于外部电路，能适应从8V到450V 的宽输入电压范围。通过外部的电阻（或电容）可设定固定频率控制外部功率MOS管，以恒流的方式可靠地驱动LED串。LED的电流可以通过选择恰当的限流电阻来设定。同时提供线性调光功能，支持低频可变占空比的数字脉冲（PWM）调光功能。

　　

　　根据应用场合和按照不同的标准，其驱动方案可以分为三种。

　　按照PWM调节方式，可以分成恒定频率和恒定关断时间两类（图1）。

　　

　　在稳定状态下加在电感两端的电压乘以导通时间等于关断时刻电感电压乘以关断时间：Von*Ton=Voff*Toff，即（Vin-Vo）*Ton=Vo*Toff。

　　从电感的计算公式可以看出这两者之间的差异性，图1a中的电感计算式为L = （Vin–Vo） * Ton /ΔI ，图1b中的电感计算式为L＝Vo*Toff/ΔI。Io=Ip-ΔI /2。如图2所示电流波形示意图，电感确定后，图2a中输入电压Vin变化导致纹波电流ΔI变化，以致输出电流变化；图2b中的纹波电流ΔI与输入电源电压无关。因此在电压波动较大的宽电压应用环境下，使用恒定关断时间电路方式。

　　

　　按照是否隔离，可以分成隔离和非隔离两类。

　　隔离和非隔离驱动方式主要针对市电交流输入而言。当采用图3a的非隔离方式时，建议工作在电流连续模式；当采用图3b的隔离方式时，建议变压器工作在非连续方式（即每个周期结束时，变压器无剩磁），这样可以保证每次开关周期，变压器原边传送给副边的能量相同（与电源电压无关）。

　　

　　图3b隔离方式为反激式电路结构，当Q1导通时，原边绕组电流增加，副边绕组无电流，负载通过C2续流。当Q1关断时，副边绕组导通，变压器存储的能量通过副边绕组释放为负载。变压器转移功率P＝1/2*Imax*Imax*L*Fosc。采用这种隔离方式时，必须注意副边不在环路控制中，有可能出现大电流从而损害LED。使用时必须增加保护电路限流。

　　

　　按照电源类别，可以分成交流和直流两类。

　　当交流市电作输入时，只需要将电源电压整形滤波后接入直流应用电路。

　　基于AX2028的LED驱动电路设计

　　LED产品对其驱动电源的要求包括：稳定、可靠、高效、通用。AX2028是一款LED驱动恒流控制芯片，系统应用电压范围为12VDC至600VDC，占空比为0～100%，固定关断时间工作模式。它支持交流85V～265V输入，非隔离和隔离应用方案。AX2028采用独特的技术进行恒流控制和补偿方法，使LED电流在交流85V～265V范围内变化小于±3％。AX2028采用优化的系统结构，使得系统效率高于92％。可广泛应用于E14、E27、PAR30、PAR38、GU10等灯杯和LED日光灯。

　　

　　AX2028具有多重LED保护功能，包括LED开路保护、LED短路保护、过温保护。在系统故障出现的时候，电源系统进入保护状态，直到故障解除，系统又重新进入正常工作模式。

　　

　　在AX2028_TUBE_18W非隔离应用设计（图4）中，LED光源阵列设计为0.06W白光LED（SMT或草帽灯）24个串联、12串并联的方案，驱动288个小功率WLED，总功率为18W。

　　电路采用了EMI抑制电路、整流滤波电路、填谷PFC电路、AX2028恒流系统电路来驱动LED工作。

　　

　　AX2028_TUBE_12W简化板应用方案的性能指标如下：

　　宽电压AC 85～265v；输出 12串12并

　　电流220MA±1MA（输出电流可调）

　　电压调整率：1%

　　负载调整率：3%

　　电源效率＞88%

　　PFC＞0.92

　　THD＜45

　　短路保护

　　开路保护；空载输出限压＜48V（限压可调）

　　MOS温升＜20℃

　　规格指标：

　　单面PCB布局

　　190mm*16mm*11mm，适合T8、T10、日光灯管

　　不易导致器件虚焊，贴片采用竖式排列

　　无噪声

　　采用独特电路结构，无闪烁

　　高性价比

　　

　　对于非隔离的灯具，其设计原理可延用上述LED日光灯应用典型方案设计思路经行选择，改变LED光源排列方式，则可以变换成各种不同形式的LED灯具。针对各种LED灯具对驱动电源的不同要求，可以改变电源的输出特性设计来满足各不相同的需求。AX2028可应用于设计隔离与非隔离的球泡灯、PAR灯、筒灯、嵌灯、洗墙灯、台灯、可控硅调光灯等LED光源灯具的驱动电源。

　　本文小结

　　AX2028在设计上的重大改进使得性能更趋完善，固定Toff工作模式、高占空比、高达92%的效率、高恒流精度等特性，使其更适用于LED照明灯具的驱动电源应用。

　　二、TPS92070低功耗离线LED的照明解决方案

　　TPS92070是一种先进的低功耗，离线LED照明应用中使用的PWM控制器理想。综合调光接口电路，TPS92070具有非耗散调光，触发控制电路。TPS92070控制器提供直流LED电流无光度的涟漪效应。直流电流也导致在更高的LED的功效。TPS92070提供指数控制光输出基于外部调光器的位置。填谷电路实现高功率因数。一次检测前沿调光器，TPS92070套禁用PFC电路的输出，从而优化了驱动程序的操作。实现深度调光的LED电流检测精度误差放大器。TPS92070主要特性：先进的集成调光接口的非耗散TRIAC调光器管理灯灯在亮度均匀性没有低频的光度脉动指数调光简介创新的二次侧反馈，无需光耦器件超过5％的LED电流调节更好的可编程最小LED电流谷开关和DCM降低EMI和提高效率的运作前沿调光器检测功率因数》 0.8 逐周期电流限制保护低启动和待机电流PWM MOSFET驱动器集成热关闭的16引脚TSSOP封装的TPS92070应用：LED灯泡更换LED灯具的LED嵌灯的LED洗墙灯图1。TPS92070方框图图2。TPS92070应用电路图230VAC输入TPS92070EVM-648调的光的LED照明驱动器TPS92070EVM-648的综合调光的LED照明驱动器转换为230 VAC输入1低功率隔离反激式转换器，提供5板上发光二极管与该TPS92070EVM-648评估模块（EVM）， 370 mA的驱动电流从额定230 VAC输入。该EVM旨在展示在一个典型的应用程序，其中可用于普通照明应用需要调光的LED TPS92070 评估模块使用在低功率离线反激式转换器TPS92070高效率的集成调光LED照明驱动器控制器提供370 mA的到主板上的LED负载。输入接受一个标称50赫兹，230 VAC输入电压。TPS92070EVM-648被设计成系列前沿可控硅调光器的输入电压开关来控制LED的流明输出。的综合调光的TPS92070接口电路提供指数控制光输出的外部调光器的位置。本用户指南的原理图，元件清单，装配图和测试设置最多必要的，以评估在一个AC输入的TPS92070 LED照明应用。A.使用大于240伏交流输入电压，建议用户更换保险丝，至少有300伏的额定电压在1 TPS92070EVM-648调光的LED照明驱动器主要特性：TPS92070EVM-648的功能包括：•180 VAC至240 VAC输入范围370的LED电流调节毫安，标称6 W的16.5 V输出先进的综合调光接口•指数调光个人资料•可编程最小的LED电流•谷交换和DCM工作前缘调光检测填谷功率因数校正•周期电流限制保护周期TPS92070EVM-648调的光的LED照明驱动器应用：该TPS92070是在低功率照明应用，如使用适合：•LED的光灯泡的更换•LED的灯具•LED的下降，灯•LED的墙

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　三、离线LED控制电路的实现

　　荧光灯与LED相比较

　　LED的工作原理与荧光灯完全不同。单独电子会在半导体材料的p-n结上跳动（由n区到p区）。有些半导体（如镓）的带隙十分宽阔，电子需要相当大的能量才能跳过p-n结。每个电子与原子复合，就会发射出一种光粒子，称为“光子”。由于所有光线都在结点上一个十分细小的空间内产生，所以只能形成点光源，需要很多LED才能照亮一个大范围。此外，由于LED不能耗散本身的热能，所以工作温度比较高，需要外加散热功能。

　　尽管LED控制起来比较简单，但仍然有本身的要求和挑战。它们不需要引燃或预热，但电流必须保持恒定，且需配合每个LED的工作。此外，LED的电气连接有可能需要电隔离，一切取决于应用要求。表1比较了荧光灯与LED的电路要求。

　　

　　

　　包含一个阻止镇流器产生噪声的输入过滤器、一个交流输入转换成直流总线电压的整流器及平波电容器、一个能够产生高频方波电压的控制集成电路和半桥，以及一个用于预热、触发和运行荧光灯的谐振输出级。另外还需加入一些附加的电路才能够实现调光功能，包括一个隔离型0~10VDC调光接口、一个测量灯电流的检测电路，以及一个能够持续调节输出频率确保灯电流保持于用户设定水平的闭环反馈电路。闭环系统的作用是根据荧光灯的非线性电气特性，适当地调节灯的电流。

　　IRS2530D是一款600V的8脚荧光灯调光控制集成电路，能够为半桥提供所需的高、低端栅极驱动，包括所有调光功能，同时针对交流及负载故障，为电路提供完善的保护。芯片的其中6个引脚用于处理基本和必要的功能，包括集成电路的供电与接地（VCC、COM），以及半桥的高、低端栅驱（VB、HO、VS、LO）。最大的挑战是要通过余下的2个引脚（VCO、DIM） 实现其他功能，即预热、触发和调光（见图2）。

　　

　　图2 IRS2530D器件的引脚分配及功能

　　当一个电压（典型14V）首次加到VCC，集成电路就会从欠压锁闭（UVLO）模式进入预热/触发模式。半桥会开始以最大频率振荡，VCO引脚内部的电流源也开始从COM对外部电容器线性充电（见图3）。

　　

　　图3 预热、触发及调光时序图

　　随着VCO电压增加，谐振回路电感器的次级绕组又会给灯丝加热，输出频率会下降。VCO电压充好之后，频率会朝着谐振回路电路的谐振频率水平下降，而灯的输出电压会上升。输出电压超越了灯的触发电压时，灯会点燃起来，电流也会开始流动，使芯片进入调光模式。

　　在调光模式下，电路以一个电流检测电阻（RCS）来测量交流灯电流。测量结果会通过一个反馈电容器（C2）耦合于DIM引脚的DC参考。DIM引脚上的交流加直流信号会与集成电路内部的COM作比较，从而使频率得到控制，确保交流分量的谷值保持于COM（见图4）。

　　

　　当交流谷值保持于COM，直流参考值会上升或下降，交流灯电流幅值也相应增减。直流参考结合交流灯电流，一个引脚可同时支持参考及反馈功能，实现闭环调光控制。

　　新型LED控制电路

　　典型的LED控制电路基于降压、升压或反激拓扑设计，用于产生通过一串LED所需的恒定电流。这些拓扑各有优劣，一切取决于输入电压范围、串联驱动的LED数量、LED串并行的数量、LED输出电流以及是否需要隔离、是否需要调光，及效率、大小及成本。基于上述原因，电路设计往往变化多端，以满足不同LED应用的需求。新型电路是由调光型荧光灯应用略为改进而得到的谐振模式电路，适用于不隔离的离线应用。它能够驱动一或多个串联的LED，又可轻松扩展，配合不同的LED电流水平，还可通过软开关得到良好的效率。新电路（见图5）的设计基于现存的IRS2530D调光控制IC

　　

　　图5 新型的IRS2530D离线LED控制电路

　　输出级经过改进，可由荧光灯改为驱动LED。它也不需给负载预热或触发，因此可把谐振回路改为一个串联的L-C-LED类型 （而不是荧光灯惯用的串联L和并行R-C）。由于输出电流属于交流电，因此该电路中加入了一个全波桥式整流器，使电流在每个高频开关周期内都会流经LED。

　　交流电流检测仍然通过一个置于整流器底部和COM之间的电阻器来进行，并且对全波整流LED电流幅值直接进行测量。测量结果会通过电阻器RFB和电容器CFB耦合于DIM引脚。IRS2530D的调光控制环路会连续调节半桥开关电路，确保标称有效值LED电流保持于生产商所定的规格内，使LED电流的振幅得到适当调节。假如LED电流下降，环路就会降低频率，从而提高谐振回路的增益，增强LED电流。假如LED电流上升，环路就会提高频率，从而减少谐振回路的增益，减弱LED电流。调光控制环路可针对交流线路、负载和温度的变化保持LED电流恒定，也用于一或多个串联LED上。

　　实验结果

　　实验结果显示了在正常启动和工作状态下的波形（见图6及图7）。

　　

　　图6 启动中的LED电流（高1A/div）、DIM引脚电压（中1V/div）及VCO引脚电压（低2V/div），时标=50msec/div

　　

　　图7 启动中的LED电流（高1A/div），D4:A-D3:A桥式整流器电压（中25V/div） 及VS引脚电压（低100V/div），时标=5μsec/div

　　当交流线路电压首次导入，VCC会充电，启动IC。输出频率由IC的最高频率开始，一直扫落至串联L-C-LED谐振电路的谐振频率。频率扫描由VCO引脚上的电容器CVCO负责。LED电流（通过电阻器RCS来测量）随着频率的下降而增加，使DIM引脚上的交流信号的振幅增加，直到交流信号的谷值到达COM（见图6）。

　　然后集成电路便进入调光模式，调光环路生效。调光环路会连续调节输出频率，确保DIM引脚上的交流信号的谷值保持于COM，LED电流的振幅保持不变。LED电流（见图7）是全波整流，工作于半桥中点（VS引脚）的两倍频率。基于电路的谐振，LED电流的波形呈正弦曲线。这样便能够把电流峰值因素保持于低水平，无需过量的峰值电流也可实现标称LED有效值电流。

　　IRS2530D还包含可针对所有交流线路和负载故障情况提供完善保护的额外电路，包括交流电源掉电、开路（无负载或LED故障）及短路故障情况。

　　结语

　　本文介绍的这款新型离线LED控制电路的结构十分简洁，可针对LED的需要提供良好的恒流调节功能，又可轻松扩展，适应不同的输入电压范围和LED电流水平，而且能够灵活地把不同数量的LED连接到输出。IRS2530D可以成功驱动荧光灯和LED应用电路。该IC在低成本的8引脚解决方案中集成了完整的控制功能，控制环路无论在任何交流线路和负载情况下，都可以提供良好的恒流性能。集成电路更能够侦测所有故障状态，然后安全地把电路停止。假如需进一步改进电路，可以考虑加入LED的脉冲宽度调制开/关调光功能。