DC-DC LED照明開關(guān)驅(qū)動器方案選擇
要使LED照明系統(tǒng)能夠提供期望的長壽命等優(yōu)勢,必須選擇恰當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動方案。戶外照明應(yīng)用以及汽車照明、應(yīng)急車輛照明、船舶應(yīng)用及飛機內(nèi)部照明等應(yīng)用,可能采用離線交流適配器、密封鉛酸
典型DC/DC LED驅(qū)動方案比較
LED驅(qū)動方案的一項主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流,而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動方案必須符合能效、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。同時,所選方案必須易用及足夠強固,從而適應(yīng)特定應(yīng)用的嚴格環(huán)境。
典型DC/DC LED驅(qū)動方案包括電阻、恒流穩(wěn)流器(CCR)、線性驅(qū)動器及開關(guān)驅(qū)動器等。電阻是最簡單、最低成本的LED穩(wěn)流方案。但實際上它們并不“穩(wěn)流”,只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起LED亮度變異時,簡單地限制LED最大電流。對于低電流指示器應(yīng)用而言,這可能可以接受;但隨著電流增大及串聯(lián)的LED數(shù)量增加,就變得有問題了。要克服這個問題,需要費錢又費時地對LED進行編碼及選擇恰當(dāng)?shù)碾娮鑱砥ヅ銵ED串正向電壓。即使采取這些步驟,仍然會有由輸入電壓變化導(dǎo)致的亮度變化問題。
CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅(qū)動器或開關(guān)驅(qū)動器的方案,適合于電流小于200mA的低電流LED照明應(yīng)用。CCR易于設(shè)計,能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性。CCR的主要局限是輸入電壓必須始終高于輸出正向電壓以恰當(dāng)工作,而且它們能效較低,熱耗散較高。
線性驅(qū)動器支持多條線路并行配置以擴散熱耗散,提供達±2%的穩(wěn)流精度,無電磁干擾(EMI)問題,成本中等,但能效也較低。
憑借高能效及靈活等優(yōu)勢,開關(guān)驅(qū)動器廣泛使用。這種方案成本更高,技術(shù)更復(fù)雜,但也提供顯著優(yōu)勢,如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系,且根據(jù)輸入/輸出條件,能效能夠高于90%。與線性驅(qū)動器不同,它們對EMI很敏感,給設(shè)計人員帶來需要注意的設(shè)計約束。對于中到大功率應(yīng)用或涉及寬輸入電壓范圍的應(yīng)用而言,開關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇;且許多應(yīng)用中優(yōu)化了開關(guān)穩(wěn)壓器型LED驅(qū)動器,從而應(yīng)用LED調(diào)光控制。
LED開關(guān)驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)
根據(jù)輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系,我們可將LED DC/DC開關(guān)驅(qū)動器/穩(wěn)壓器的拓撲結(jié)構(gòu)分為降壓、升壓及降壓-升壓等不同類型,并相應(yīng)作簡要分析。
降壓:適合于所有工作條件下最小輸入電壓始終高于LED串最大電壓的應(yīng)用(見圖1a)。例如,以12V電源驅(qū)動單顆功率為1W的LED時,使用這種拓撲結(jié)構(gòu)。
圖1 典型DC/DC LED開關(guān)驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)
這種拓撲結(jié)構(gòu)的原理是:開關(guān)導(dǎo)通時,輸入電壓通過電感向負載供電,同時也向輸出電容充電。這個過程中,電感及輸出電容儲存能量。開關(guān)關(guān)斷時,儲存在電感中的電流不能突變,電感通過自感產(chǎn)生右正、左負的脈沖電壓,這時電感、輸出電容及續(xù)流二極管構(gòu)成放電回路,回路電流繼續(xù)在電容兩端建立直流電壓,并由此直流電壓為負載供電。從能量關(guān)系可以看出,這種情況下輸出電壓始終低于輸入電壓,提供降壓效果。
升壓:適合于所有工作條件下最大輸入電壓始終低于LED串最小電壓時的應(yīng)用。例如,以5V電源驅(qū)動6顆LED時,使用這種拓撲結(jié)構(gòu)(見圖1b)。
這種拓撲結(jié)構(gòu)的原理是:閉合導(dǎo)通時,通過電感的電流增加,在電感中積累能量;開關(guān)關(guān)斷時,電感電流通過二極管流向輸出電容。由于儲存來自電感的電流,多個開關(guān)周期后,輸出電容的電壓升高,結(jié)果輸出電壓就高于輸入電壓,從而提供升壓效果。
降壓-升壓,或單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC):適合于輸入電壓與輸出電壓有交迭的應(yīng)用。如以12V汽車電池驅(qū)動4顆LED時,可使用這種拓撲結(jié)構(gòu)(見圖1c)。
這種拓撲結(jié)構(gòu)的原理非常簡單。開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時,輸入電壓直接連接至電感,從而在電感中積聚能量。在這個階段,電容C為輸出負載提供能量。開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時,電感通過續(xù)流二極管連接至輸出負載及電容,從而傳輸能量給負載。這是一種反向(inverting)輸出,負輸出連接至LED的陽極,而正輸出連接至LED的陰極。這種拓撲結(jié)構(gòu)可以提供眾多優(yōu)勢,如提供更高能效、更小外形因數(shù)及更低成本等。
不同拓撲結(jié)構(gòu)的LED DC/DC開關(guān)驅(qū)動器方案及其應(yīng)用
1 降壓驅(qū)動器方案
典型LED DC/DC降壓應(yīng)用有如在線槽燈、書架燈及展示柜燈等中使用的高亮度模塊化燈條,一般每條(11.5×1英寸)4顆LED,根據(jù)顏色的不同,光效為23~47lm/W,電壓為23~25V。
圖2 不同LED DC-DC降壓驅(qū)動器方案
根據(jù)頻率及電流的不同,這類應(yīng)用中可以使用安森美半導(dǎo)體提供不同的LED DC-DC降壓驅(qū)動器方案,包括NCL30100控制器、CAT4201穩(wěn)壓器,以及能夠配置為降壓穩(wěn)壓器的NCP3065/NCV3065、NCP3066/NCV3066穩(wěn)壓器及控制器等(見圖2)。這些方案各有其特點。
在LED DC/DC降壓應(yīng)用中,客戶可以根據(jù)應(yīng)用需要,選擇控制器方案或是穩(wěn)壓器方案。
圖3 NCL30100 LED降壓控制器基本應(yīng)用電路圖
而在12V及24V照明系統(tǒng)、汽車及飛機照明和通用照明等應(yīng)用中,可以采用CAT4201穩(wěn)壓器。這器件與NCL30100控制器不同,是集成了MOSFET的完整電源轉(zhuǎn)換器,采用小型TSOT5封裝,最高電壓36Vdc(可承受40V瞬態(tài)電壓),能驅(qū)動總電壓達32V的7顆串聯(lián)LED,電源能效高達94%,提供限流及熱保護。但這器件在大多數(shù)應(yīng)用中要求輸出電容,且LED輸出電流限流為最大350mA。
圖4 CAT4201 LED降壓驅(qū)動器典型應(yīng)用電路圖
有些LED應(yīng)用可能需要支持PWM調(diào)光。在這些應(yīng)用中,可以采用NCP3065和NCP3066,以及相應(yīng)通過汽車認證的版本NCV3065和NCV3066。NCP3065/6、NCV3065/6是靈活的開關(guān)穩(wěn)壓器,能夠配置為降壓、升壓及降壓-升壓等不同結(jié)構(gòu)。配置為LED降壓驅(qū)動器時,能在不采用輸出大電容的條件下工作,支持+40V/1.5A典型峰值開關(guān)電流,可以設(shè)定350mA、700mA及1 000mA等輸出電流,還能配合調(diào)光需求。適合的應(yīng)用包括汽車及船舶照明、大功率LED驅(qū)動器、恒流源、低壓LED照明(景觀、道路、太陽能及MR16替代)等。
2 升壓驅(qū)動器方案
如上所述,NCP3065/6、NCV3065/6能夠配置為不同結(jié)構(gòu),圖5右顯示的是即是配置為升壓結(jié)構(gòu)的應(yīng)用電路圖。
圖5 NCP3065典型LED降壓應(yīng)用電路(左)及典型LED升壓應(yīng)用電路(右)
此外,在需要高能效驅(qū)動長串高亮度LED的應(yīng)用中,可以采用安森美半導(dǎo)體將推出專門用于高能效升壓模式的NCL30131 LED升壓驅(qū)動器。這是一款能夠采用N溝道FET的開關(guān)升壓控制器,能夠用于構(gòu)建高能效的LED升壓驅(qū)動器。這器件使用電壓模式PWM反饋機制,帶有運算跨導(dǎo)放大器(OTA)。這器件具有高驅(qū)動能力,能夠驅(qū)動大電流/高能效MOSFET。輸入電壓范圍極寬,介于4.5~28V之間。NCL30131提供300/600/1000kHz開關(guān)頻率,提供可編程限流、短路保護、熱關(guān)閉、過壓保護及欠壓鎖定等豐富的保護功能。
圖6 NCL30131高能效升壓LED驅(qū)動器典型電路圖
3升降壓驅(qū)動器方案
典型LED降壓-升壓應(yīng)用包括以12V交流或12V直流電源驅(qū)動包含3~4顆LED的模塊。這種應(yīng)用中就可以采用配置為降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)的NCP3065/6控制器,從而滿足輸入電壓與輸出電壓有交迭的應(yīng)用需求。
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