一種僅需幾個(gè)元件的世界通用AC-DC恒流LED驅(qū)動(dòng)器

摘要：ZD832是世界首款適用于85~240VAC交流電源輸入的無外加變壓器或電感器及橋式整流器的AC-DC恒流LED驅(qū)動(dòng)器IC，它僅需外加幾個(gè)元件，可以驅(qū)動(dòng)近百顆串聯(lián)在一起的（3.3V、30mA）白光或RGB LED，并具有數(shù)字PWM或模擬電壓調(diào)光功能，提供過熱和過電壓保護(hù)，不會產(chǎn)生EMI。

關(guān)鍵詞：ZD832；全球通用；AC-DC恒流；LED驅(qū)動(dòng)；無變壓器；調(diào)光；保護(hù)

1、引言

　　LED在景觀照明、建筑裝飾照明和普通照明應(yīng)用中，工頻市電（110V/60Hz、220V/50Hz）和太陽能將是主流原始能源。就由交流市電電源供電的LED驅(qū)動(dòng)電路來說，目前主要有兩種設(shè)計(jì)方案。一種方案是先利用工頻變壓器將AC電源降壓，再利用橋式整流和濾波電路實(shí)現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換，最后通過一個(gè)DC-DC恒流驅(qū)動(dòng)器為LED或LED陣列供電；另一種方案是采用開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種方案是先利用橋式整流和濾波電路完成AC-DC轉(zhuǎn)換，再利用一個(gè)DC-DC開關(guān)變換器輸出恒流來驅(qū)動(dòng)LED或LED陣列。傳統(tǒng)開關(guān)電源的DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器需使用一個(gè)高頻變壓器，目前一些LED驅(qū)動(dòng)器IC組成的DC-DC降壓式（buck）開關(guān)變換器一般不使用高頻變壓器，而是使用一個(gè)電感器。由此可見，無論是采用哪一種方案，都需要使用橋式整流器、工頻或高頻變壓器或電感器。變壓器和電感器大而笨重，這對于LED照明電源的小型化和輕量化要求來說是極為不利的。

　　Zywyn公司推出的世界首款全球通用AC-DC恒流LED驅(qū)動(dòng)器ZD832，采用高度集成的線性結(jié)構(gòu)體系，無需外加變壓器或電感器，也不需要外加橋式整流器，僅需用幾個(gè)元器，就可以在85~125VAC或180~240VAC的交流電源上操作，驅(qū)動(dòng)近百顆串聯(lián)在一起的低功率白光或RGB LED。ZD832的輸出電流達(dá)30mA，可由單個(gè)電阻來編程。其調(diào)光控制可以通過在引腳PWM上施加一個(gè)帶變化占空比的PWM信號或在引腳ISET上施加一個(gè)模擬DC電壓來實(shí)現(xiàn)。ZD832含有過溫度和過電壓保護(hù)電路，十分堅(jiān)固耐用，而且在應(yīng)用中不存在EMI問題。

2、ZD832引腳功能及其操作

2.1 ZD832引腳功能

　　為了正確使用ZD832，首先要了解其引腳功能。ZD832采用20引腳TSSPO無鉛綠色封裝，引腳排列如圖1所示。

　　ZD832各個(gè)引腳功能見表1。

表1 ZD832引腳功能

2.2 ZD832操作描述

2.2.1 輸入操作

　?。?）AC輸入電壓及其選擇

　　在ZD832引腳VAC+和VAC-上的AC輸入電壓范圍為85~240V_AC。當(dāng)IC引腳VSEL連接到HVCC（16引腳）時(shí)，輸入電壓為85~125V_AC；當(dāng)IC引腳VSEL懸空時(shí)，IC可以在180~240V_AC的電壓上操作。

　?。?）高壓DC輸入

　　當(dāng)在IC的引腳VAC+和VAC-上沒有AC電壓施加時(shí)，在IC引腳HVCC上可以施加一個(gè)范圍為85~340V_DC的直流高壓來直接驅(qū)動(dòng)LED串。為減小可能出現(xiàn)的電壓紋波，在引腳HVCC上應(yīng)連接一個(gè)1μF//400V_DC的電容到PGND端。

　?。?）調(diào)光信號輸入

　　1）LED PWM調(diào)光

　　在IC引腳PWM上施加一個(gè)50Hz~5KHz的輸入PWM信號，可以對輸出上的LED串進(jìn)行調(diào)光，并且調(diào)光與PWM占空因數(shù)成正比，調(diào)光范圍從10%到90%。

　　當(dāng)PWM信號在引腳PWM上為邏輯“0”時(shí)，IC則進(jìn)入關(guān)閉模式；當(dāng)PWM信號為邏輯“1”（≥2V）時(shí)，IC則完全開通。邏輯低電平電壓典型值是0.2V。

　　2）模擬電壓調(diào)光

　　用一個(gè)0~1.25的DC電壓通過一個(gè)電阻R_SET加至IC的引腳I_SET，可以調(diào)節(jié)LED的電流，實(shí)現(xiàn)線性模擬調(diào)光。如圖2所示。當(dāng)DC電壓為0V時(shí)，相當(dāng)于R_SET接地，LED電流在R_SET的設(shè)置值上，亮度最大（100%）。隨DC電壓從0V逐漸增加到1.25V，LED電流則相應(yīng)減小，亮度從強(qiáng)到弱變化。

2.2.2 輸出操作

　?。?）整流DC高壓輸出

　　在ZD832引腳HVCC上的DC輸出電壓范圍為85~340V_DC，可以驅(qū)動(dòng)幾十個(gè)乃至百多個(gè)串聯(lián)在一起的LED。為減小IC引腳HVCC上整流輸出電壓紋波，在引腳HVCC上應(yīng)連接一個(gè)至少是10μF的退耦電容到PGND端。IC輸出平均DC電壓V_HVCC值與AC輸入電壓、輸出電容C_OUT和LED電流I_LED值有關(guān)，圖3所示為在220V_AC輸入和不同輸入電容C_OUT及I_LED時(shí)的V_HVCC值。

（2）LED電流設(shè)置

　　LED電流I_LED由IC引腳ISET上與PGND之間連接的單個(gè)電阻R_SET來設(shè)置，計(jì)算公式為：

　　I_LEG=2200V/R_SET

R_SET的取值范圍為73kΩ，故I_LED值范圍為3~30mA。LED電流I_LED與設(shè)置電阻R_SET之間的關(guān)系如圖4所示。

　　（3）IC引腳V_OUT上的限制電阻R_EXT

　　IC引腳V_OUT上的電壓范圍一般為3~30V，LED串通常連接在IC引腳HVCC與V_OUT之間，LED電流從引腳V_OUT灌入。為防止IC內(nèi)部功率晶體管功率耗散過大，并保持V_OUT30V，在很多情況下需要在IC引腳V_OUT外部連接一個(gè)限制電阻R_EXT（見圖5和圖6等）。

　　若串聯(lián)LED數(shù)量為n，每個(gè)LED的正向電壓降是V_F，IC引腳HVCC上的DC輸出電壓為V_HVCC，引腳V_OUT上的電壓為V_OUT（設(shè)置其≥7V），R_EXT值則為：

　　R_EXT=（V_HVCC-n?V_F-V_OUT）/I_LED

　　R_EXT的額定功率為：P_REXT=（I_LED）2?R_EXT

　　設(shè)V_F=3.3V（@I_LED=30mA），C_OUT=10μF，在不同AC輸入電壓時(shí)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同AC輸入電壓時(shí)的相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

3、ZD832驅(qū)動(dòng)LED串的電路實(shí)例

3.1 輸出30mA的電流驅(qū)動(dòng)V_F為3.3V的LED組成的LED串電路

3.3.1 輸入110V_AC±3%驅(qū)動(dòng)35個(gè)LED串聯(lián)在一起的電路。

　　圖5所示為ZD832輸入110±3%驅(qū)動(dòng)35個(gè)LED串聯(lián)在一起的電路。在輸入端（引腳VAC+）上串聯(lián)的1kΩ/0.5W的NTC熱敏電阻，用作限制驅(qū)動(dòng)器在啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。當(dāng)浪涌電流通過后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，熱敏電阻的電阻值因溫度升高降至約100Ω。根據(jù)熱敏電阻的熱敏特性，AC電源接通與關(guān)斷之間的持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于2~3S。由于AC輸入電壓是110V_AC，IC引腳VSEL必須連接到HVCC。在IC引腳HVCC上的輸出DC電壓為133V_DC，引腳V_OUT上的限制電阻R_EXT被設(shè)置在270Ω。IC引腳V_OUT上的電壓為：

　　V_OUT=V_HVCC-35V_F-V_REXT=133V-35×3.3V-30mA×270Ω=9.4V

　　由于I_LED=30mA，R_SET值則為：

　　R_SET=2200V/30mA≈73kΩ

3.3.2 輸入220V_AC±2%驅(qū)動(dòng)78個(gè)LED串聯(lián)在一起的電路

　　一個(gè)220V_AC±3%的AC輸入電壓加在ZD832的VAC+和VAC-引腳，在引腳HVCC上將產(chǎn)生一個(gè)286V_DC的DC平均輸出，驅(qū)動(dòng)78個(gè)V_F=3.3V（@I_F=30mA）串聯(lián)在一起的LED。IC引腳VSEL懸空，將R_EXT設(shè)置在270Ω，R_SET=73kΩ。

3.3.3 220V_AC±2%輸入帶電容降壓驅(qū)動(dòng)40個(gè)LED電路

　　圖7為220V_AC±2%的AC輸入經(jīng)RC電路降壓驅(qū)動(dòng)40個(gè)串聯(lián)在一起的LED電路。連接在ZD832輸入引腳VAC-上的C_AC為降壓電容，R_AC為泄放電阻。在AC電源關(guān)斷后，R_AC為C_AC放電提供通路。220V_AC±2%的AC電壓約110V_AC，因此IC引腳VSEL必須連接到HVCC。在IC引腳HVCC上的平均輸出DC電壓約150V_DC，驅(qū)動(dòng)40個(gè)V_F=3.3V的LED，不必附加限制電阻。

3.3.4 180~240V_AC輸入驅(qū)動(dòng)65個(gè)LED電路

　　ZD832輸入180~240V_AC驅(qū)動(dòng)由V_F=3.3V（@30mA）的65個(gè)LED組成的LED串的電路如圖8所示。IC引腳HVCC上的平均輸出電壓V_HVCC=227~310V_DC，經(jīng)齊納（穩(wěn)壓）二極管D_Z、電阻R1和晶體管Q組成的線性穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)后，輸出電壓為V_O。當(dāng)V_HVCC=220V_DC時(shí)，V_O=219~230V_DC。由于V_OUT≤18V，故不必附加限制電阻。220V的齊納二極管可選用3W的BZG03-C220-TR，NPN晶體管Q的BV_CEO≥300V，I_CM=1A，如2N3439、NTE157/NTE396等。

3.2 輸出30mA驅(qū)動(dòng)兩串90個(gè)V_F=3.15V（@15mA）LED電路

　　圖9所示電路的AC輸入電壓范圍為180~240V_AC，經(jīng)R_AC與C_AC降壓網(wǎng)絡(luò)后施加到ZD832的VAC+和VAC-端，在IC引腳HVCC上的平均輸出電壓V_HVCC=160~220V_DC，輸出電流由73kΩ的R_SET設(shè)置在30mA（±6%）。當(dāng)V_HVCC為150V_DC時(shí)，通過150V的齊納二極管和雙極晶體管Q，開始將V_O調(diào)節(jié)到150~160V_DC。90個(gè)3.15V的LED分成兩串，每串含有45個(gè)LED，通過LED的電流為15mA。齊納二極管選用150V/3W的BZG03-C150-TR，Q可選用300V、1A的NTE157。

3.3 兩個(gè)ZD832并聯(lián)輸出8W驅(qū)動(dòng)66個(gè)3.16V（@40mA）LED電路

　　兩個(gè)ZD832可以并聯(lián)應(yīng)用，如圖2所示。每個(gè)ZD832的R_SET=110kΩ，輸出電流為2200V/110Kω=20mA，兩個(gè)ZD832并聯(lián)后輸出總電流為40mA。AC輸入電壓范圍為200~240V_AC，所驅(qū)動(dòng)的LED串含有Custom公司生產(chǎn)的66個(gè)V_F=3.16V（@40mA）的LED。

　　在圖10中，若在兩個(gè)ZD832的引腳VAC-上加一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)（見圖7和圖9，R_AC=470KΩ，C_AC=1.5μF），選擇R_SET=73kΩ，IC引腳VSEL連接HVCC，并選用150V的齊納二極管，在輸入200~240VAC時(shí)，則可以驅(qū)動(dòng)42個(gè)V_F=3.16V（@60mA）串聯(lián)在一起的LED。

　　由于ZD832在85~125V_AC或180~240V_AC的供電線路上操作，可以驅(qū)動(dòng)3~30mA（并聯(lián)輸出達(dá)60mA）的幾十個(gè)乃至百余個(gè)串聯(lián)在一起的LED，故在普通照明、景觀照明、建筑裝飾照明、大屏幕顯示背光照明等方面有著廣泛的應(yīng)用。ZD832可以驅(qū)動(dòng)各種形狀因數(shù)（form-factor）的LED燈泡，如圖11所示。

4、結(jié)束語

　　ZD832高壓AC-DC恒流驅(qū)動(dòng)器能夠在85~240V_AC國際通用AC線路上操作，僅利用其引腳VSEL來選擇85~125V_AC或180~240V_AC輸入電壓。ZD832在非并聯(lián)應(yīng)用時(shí)最大可編程輸出恒流為30mA，可以驅(qū)動(dòng)幾十顆乃至超過100顆相串聯(lián)的白光LED或RGB LED。利用帶變化占空比的PWM信號或模擬DC電壓可以獲得調(diào)光控制，改變LED陣列亮度。ZD832還含有過熱和過電壓保護(hù)電路，保護(hù)內(nèi)部功率晶體管免遭損壞。ZD832的一個(gè)重要特點(diǎn)是僅需用幾個(gè)元件，而且不需用變壓器和電感器，也不必外加整流器，就這方面來說在目前是舉世無雙的。