多級LED驅動(dòng)設計 輕松實(shí)現高效調光

中間級將高壓DC總線(xiàn)電壓(典型值在475V左右)轉換成為適用于驅動(dòng)LED負載的低壓輸出?；诎踩矫娴目紤]，LED負載通常采用低壓驅動(dòng)，因此驅動(dòng)電路通常最小值為1安培。這里所推薦的絕緣和降壓級配置是一種諧振半橋，包括一對用相互反相的信號驅動(dòng)開(kāi)關(guān)MOSFET。高頻降壓變壓器初級繞阻的一端接到這兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的的中點(diǎn)，而另一端與DC總線(xiàn)至地回路的電容分頻網(wǎng)絡(luò )相連接。通過(guò)這種方式，變壓器初級可以看到一個(gè)正負電壓振幅相等的方波。二次繞阻將采用中心抽頭，這樣兩個(gè)二極管整流器即可用于將輸出電流轉換到DC。其中輸出電流高到可以用MOSFET取代整流二極管，從而作為同步整流系統的方式運行。在采用3安培電流的典型應用中，在30度的環(huán)境溫度下，同步MOSFET的表面溫度比采用相同封裝的肖特基二極管的溫度更低。

我們可以看出，隨著(zhù)電流要求的增長(cháng)，同步整流的熱優(yōu)勢就變得更為顯著(zhù)。最后，還需要一個(gè)平滑電容，以產(chǎn)生絕緣的低紋波DC電壓。這個(gè)電容的容值為數十法拉的級別，因此要采用陶瓷電容器。

為了使半橋級效率更高，在設計中，應該使其工作在諧振模式，其中MOSFET在零電壓(ZVS)條件下開(kāi)關(guān)。要實(shí)現這一點(diǎn)就必須保證一個(gè)MOSFET關(guān)斷而另一個(gè)MOSFET開(kāi)啟之間有一個(gè)短時(shí)延，并且在這段時(shí)延電壓從一個(gè)軌整流換向到另一條軌的中間點(diǎn)。這是因為電感器中能量的釋放并通過(guò)MOSFET中的體二極管進(jìn)行傳導。變壓器的初級設計中，有必要保持足夠的漏電感，從而可以存儲更多的能量，從而可以進(jìn)行能量交換。

這樣，變壓器的設計就會(huì )變得更加復雜，而避免這些問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法就是采用一個(gè)標準的高頻變壓器設計，無(wú)需為其設計增加額外的漏電感，僅僅需要增加一個(gè)與初級電感平行的另外一個(gè)電感來(lái)促進(jìn)能量交換。這個(gè)額外的電感也可以用于幫助基于三端雙向可控開(kāi)關(guān)的調光器進(jìn)行調光操作，并為調整提供了額外的成本和空間。我們還將對此做進(jìn)一步的探討。這樣的電感器可以采用開(kāi)氣隙磁芯或開(kāi)口磁芯來(lái)增加儲能。

LED驅動(dòng)器的后端級包括帶有短路保護功能的電流調制電路。這可以通過(guò)一個(gè)線(xiàn)性調制電路來(lái)實(shí)現，但僅采用這種方式還不夠，它只適用于低輸出電流，不可用于多級系統。備選方案是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓穩壓器電路，利用電流反饋來(lái)限制每個(gè)超過(guò)目標LED驅動(dòng)電流的輸出電流。這樣可以補償在溫度和器件容差帶來(lái)的總的LED正向電壓的變化，同時(shí)也限制了短路或其它故障情況下的電流，保護驅動(dòng)器不受損傷。

在多個(gè)輸出級都與由前一級供電的單獨的隔離DC電壓相連接時(shí)，也可以采用多級通道的方式。因為在這樣的設計中，一個(gè)通道出現輸出短路不會(huì )妨礙其它通道的正常運行。而且，這還允許將幾個(gè)通道的調制電流提供給不同的LED陣列，并且省去了對于連接平行LED陣列的需要。眾所周知，如果LED不能在相近的溫度條件下有相似的正向壓降，那么并行連接LED將會(huì )出現問(wèn)題，這時(shí)采用帶有多個(gè)獨立輸出的驅動(dòng)器的優(yōu)勢就顯而易見(jiàn)了。

TRIAC調光器的缺點(diǎn)

現有的大多數調光器一般可采用前沿切相方式工作，采用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的基于三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的電路。這些調光器最初設計只是與作為電阻負載的白熾燈一起使用。

三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)器件是一個(gè)半導體開(kāi)關(guān)，它只有當給其第三個(gè)門(mén)極加脈沖使其觸發(fā)之后，其兩個(gè)主要端子之間可以任何一個(gè)方向傳導電流。這個(gè)脈沖可以具有任意一個(gè)極性，因此易于通過(guò)一個(gè)基本的RC計時(shí)電路進(jìn)行創(chuàng )建。其工作原理包括

在A(yíng)C線(xiàn)周期的一個(gè)點(diǎn)上觸發(fā)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)，這樣它將一直導通到周期的結束，周期結束時(shí)線(xiàn)性電壓降為零，接著(zhù)流經(jīng)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)電流也將為零，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)會(huì )再次關(guān)閉。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)器件具有最小的額定保持電流，低于這個(gè)電流，開(kāi)關(guān)將關(guān)閉。調節電路中的電位器控制調節器電路中三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的開(kāi)通點(diǎn)，并且通過(guò)實(shí)現調光改變整體的平均AC電流。

然而，即使它們包括一個(gè)功率因數校正前端，LED轉換器和其它電源或電子鎮流器也不會(huì )成為調光器的純電阻負載。當調光水平被降低時(shí)，調光器中的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)可能會(huì )不規律被激發(fā)或錯過(guò)開(kāi)關(guān)周期。影響這種性能的因素非常復雜，由于我們已經(jīng)找到了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，可以在多級系統中最大程度的克服這種問(wèn)題，因此在這里沒(méi)有必要進(jìn)行深入分析。

無(wú)需將降壓變壓器的初級側中的整流換向電感器返回到電容分壓器的中點(diǎn)，電流即可以通過(guò)一個(gè)DC分隔電容器流回到線(xiàn)輸入。這就在A(yíng)C線(xiàn)循環(huán)結束前，提供了少量的額外電流，這些電流將使三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)，并使其在所要求的調光范圍內運行。這一解決方案通過(guò)利用那些將被浪費的電流，通過(guò)基于三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的調光器幫助調光。(圖3)

圖3：前端和帶有調光電荷泵的半橋。

利用這種方式調光是切實(shí)可行的，因為隨著(zhù)調光級別的降低，前端級的輸出總線(xiàn)電壓也在降低。這就使得次級電壓也下降，由于LED負載有固定的總壓降，電壓中的一個(gè)微小變化也將引起電流以及光輸出的巨大變化。

通過(guò)這種方式，實(shí)現了LED的線(xiàn)性調光，由此滿(mǎn)足了更為復雜的PWM調光電路的要求并避免了可能的專(zhuān)利侵權。盡管調光器兼容性需要損失一定的效率，但多級配置仍是更高性能LED驅動(dòng)器設計的絕佳選擇。