離線(xiàn)LED控制電路的實(shí)現

熒光燈與LED相比較

LED的工作原理與熒光燈完全不同。單獨電子會(huì )在半導體材料的p-n結上跳動(dòng)(由n區到p區)。有些半導體(如鎵)的帶隙十分寬闊，電子需要相當大的能量才能跳過(guò)p-n結。每個(gè)電子與原子復合，就會(huì )發(fā)射出一種光粒子，稱(chēng)為“光子”。由于所有光線(xiàn)都在結點(diǎn)上一個(gè)十分細小的空間內產(chǎn)生，所以只能形成點(diǎn)光源，需要很多LED才能照亮一個(gè)大范圍。此外，由于LED不能耗散本身的熱能，所以工作溫度比較高，需要外加散熱功能。

盡管LED控制起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但仍然有本身的要求和挑戰。它們不需要引燃或預熱，但電流必須保持恒定，且需配合每個(gè)LED的工作。此外，LED的電氣連接有可能需要電隔離，一切取決于應用要求。表1比較了熒光燈與LED的電路要求。

包含一個(gè)阻止鎮流器產(chǎn)生噪聲的輸入過(guò)濾器、一個(gè)交流輸入轉換成直流總線(xiàn)電壓的整流器及平波電容器、一個(gè)能夠產(chǎn)生高頻方波電壓的控制集成電路和半橋，以及一個(gè)用于預熱、觸發(fā)和運行熒光燈的諧振輸出級。另外還需加入一些附加的電路才能夠實(shí)現調光功能，包括一個(gè)隔離型0~10VDC調光接口、一個(gè)測量燈電流的檢測電路，以及一個(gè)能夠持續調節輸出頻率確保燈電流保持于用戶(hù)設定水平的閉環(huán)反饋電路。閉環(huán)系統的作用是根據熒光燈的非線(xiàn)性電氣特性，適當地調節燈的電流。

IRS2530D是一款600V的8腳熒光燈調光控制集成電路，能夠為半橋提供所需的高、低端柵極驅動(dòng)，包括所有調光功能，同時(shí)針對交流及負載故障，為電路提供完善的保護。芯片的其中6個(gè)引腳用于處理基本和必要的功能，包括集成電路的供電與接地(VCC、COM)，以及半橋的高、低端柵驅(VB、HO、VS、LO)。最大的挑戰是要通過(guò)余下的2個(gè)引腳(VCO、DIM) 實(shí)現其他功能，即預熱、觸發(fā)和調光(見(jiàn)圖2)?！　?/p>

圖2 IRS2530D器件的引腳分配及功能

當一個(gè)電壓(典型14V)首次加到VCC，集成電路就會(huì )從欠壓鎖閉(UVLO)模式進(jìn)入預熱/觸發(fā)模式。半橋會(huì )開(kāi)始以最大頻率振蕩，VCO引腳內部的電流源也開(kāi)始從COM對外部電容器線(xiàn)性充電(見(jiàn)圖3)。

圖3 預熱、觸發(fā)及調光時(shí)序圖

隨著(zhù)VCO電壓增加，諧振回路電感器的次級繞組又會(huì )給燈絲加熱，輸出頻率會(huì )下降。VCO電壓充好之后，頻率會(huì )朝著(zhù)諧振回路電路的諧振頻率水平下降，而燈的輸出電壓會(huì )上升。輸出電壓超越了燈的觸發(fā)電壓時(shí)，燈會(huì )點(diǎn)燃起來(lái)，電流也會(huì )開(kāi)始流動(dòng)，使芯片進(jìn)入調光模式。

在調光模式下，電路以一個(gè)電流檢測電阻(RCS)來(lái)測量交流燈電流。測量結果會(huì )通過(guò)一個(gè)反饋電容器(C2)耦合于DIM引腳的DC參考。DIM引腳上的交流加直流信號會(huì )與集成電路內部的COM作比較，從而使頻率得到控制，確保交流分量的谷值保持于COM(見(jiàn)圖4)。

當交流谷值保持于COM，直流參考值會(huì )上升或下降，交流燈電流幅值也相應增減。直流參考結合交流燈電流，一個(gè)引腳可同時(shí)支持參考及反饋功能，實(shí)現閉環(huán)調光控制。

新型LED控制電路

典型的LED控制電路基于降壓、升壓或反激拓撲設計，用于產(chǎn)生通過(guò)一串LED所需的恒定電流。這些拓撲各有優(yōu)劣，一切取決于輸入電壓范圍、串聯(lián)驅動(dòng)的LED數量、LED串并行的數量、LED輸出電流以及是否需要隔離、是否需要調光，及效率、大小及成本?；谏鲜鲈?，電路設計往往變化多端，以滿(mǎn)足不同LED應用的需求。新型電路是由調光型熒光燈應用略為改進(jìn)而得到的諧振模式電路，適用于不隔離的離線(xiàn)應用。它能夠驅動(dòng)一或多個(gè)串聯(lián)的LED，又可輕松擴展，配合不同的LED電流水平，還可通過(guò)軟開(kāi)關(guān)得到良好的效率。新電路(見(jiàn)圖5)的設計基于現存的IRS2530D調光控制IC

圖5 新型的IRS2530D離線(xiàn)LED控制電路

輸出級經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可由熒光燈改為驅動(dòng)LED。它也不需給負載預熱或觸發(fā)，因此可把諧振回路改為一個(gè)串聯(lián)的L-C-LED類(lèi)型 (而不是熒光燈慣用的串聯(lián)L和并行R-C)。由于輸出電流屬于交流電，因此該電路中加入了一個(gè)全波橋式整流器，使電流在每個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內都會(huì )流經(jīng)LED。

交流電流檢測仍然通過(guò)一個(gè)置于整流器底部和COM之間的電阻器來(lái)進(jìn)行，并且對全波整流LED電流幅值直接進(jìn)行測量。測量結果會(huì )通過(guò)電阻器RFB和電容器CFB耦合于DIM引腳。IRS2530D的調光控制環(huán)路會(huì )連續調節半橋開(kāi)關(guān)電路，確保標稱(chēng)有效值LED電流保持于生產(chǎn)商所定的規格內，使LED電流的振幅得到適當調節。假如LED電流下降，環(huán)路就會(huì )降低頻率，從而提高諧振回路的增益，增強LED電流。假如LED電流上升，環(huán)路就會(huì )提高頻率，從而減少諧振回路的增益，減弱LED電流。調光控制環(huán)路可針對交流線(xiàn)路、負載和溫度的變化保持LED電流恒定，也用于一或多個(gè)串聯(lián)LED上。

實(shí)驗結果

實(shí)驗結果顯示了在正常啟動(dòng)和工作狀態(tài)下的波形(見(jiàn)圖6及圖7)。

圖6 啟動(dòng)中的LED電流(高1A/div)、DIM引腳電壓(中1V/div)及VCO引腳電壓(低2V/div)，時(shí)標=50msec/div

圖7 啟動(dòng)中的LED電流(高1A/div)，D4:A-D3:A橋式整流器電壓(中25V/div) 及VS引腳電壓(低100V/div)，時(shí)標=5μsec/div

當交流線(xiàn)路電壓首次導入，VCC會(huì )充電，啟動(dòng)IC。輸出頻率由IC的最高頻率開(kāi)始，一直掃落至串聯(lián)L-C-LED諧振電路的諧振頻率。頻率掃描由VCO引腳上的電容器CVCO負責。LED電流(通過(guò)電阻器RCS來(lái)測量)隨著(zhù)頻率的下降而增加，使DIM引腳上的交流信號的振幅增加，直到交流信號的谷值到達COM(見(jiàn)圖6)。

然后集成電路便進(jìn)入調光模式，調光環(huán)路生效。調光環(huán)路會(huì )連續調節輸出頻率，確保DIM引腳上的交流信號的谷值保持于COM，LED電流的振幅保持不變。LED電流(見(jiàn)圖7)是全波整流，工作于半橋中點(diǎn)(VS引腳)的兩倍頻率?；陔娐返闹C振，LED電流的波形呈正弦曲線(xiàn)。這樣便能夠把電流峰值因素保持于低水平，無(wú)需過(guò)量的峰值電流也可實(shí)現標稱(chēng)LED有效值電流。

IRS2530D還包含可針對所有交流線(xiàn)路和負載故障情況提供完善保護的額外電路，包括交流電源掉電、開(kāi)路(無(wú)負載或LED故障)及短路故障情況。

結語(yǔ)

本文介紹的這款新型離線(xiàn)LED控制電路的結構十分簡(jiǎn)潔，可針對LED的需要提供良好的恒流調節功能，又可輕松擴展，適應不同的輸入電壓范圍和LED電流水平，而且能夠靈活地把不同數量的LED連接到輸出。IRS2530D可以成功驅動(dòng)熒光燈和LED應用電路。該IC在低成本的8引腳解決方案中集成了完整的控制功能，控制環(huán)路無(wú)論在任何交流線(xiàn)路和負載情況下，都可以提供良好的恒流性能。集成電路更能夠偵測所有故障狀態(tài)，然后安全地把電路停止。假如需進(jìn)一步改進(jìn)電路，可以考慮加入LED的脈沖寬度調制開(kāi)/關(guān)調光功能。