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LED交直流驱动电路设计呈现新曙光

作者:  时间:2018-12-12 17:53  来源:

作者 Paul Golata, Mouser Electronics ,John Perry, TexasInstrumentsLED需要在直流(DC)下工作;然而,交流电流(AC)是长距离传输电力的最有效方式。基于这一原因,设计人员需要认真应对这一挑战,根据现成的AC将其合理的转换成可用于LED照明应用的DC。本文将揭示AC到DC线驱动的问题,以及电子元件供应商目前的解决方案,为LED在一个充满交流的世界中提供其需要的直流电。

背景

驱动LED系统的最简单方式是使用一个现成的直流电源,比如电池可以提供所需的驱动电流。以电池作为直流电源有其优势,依据所需的特定电压,LED可以在相对安全的电压下工作,这时电路相对简单并且容易设计。目前许多离散的照明级LED部署时采用约3伏的直流电压,它们可以串联、并联或者串并组合排列以达到标称电压,从而获取所需光线,并紧密地匹配相应的直流电源。尽管DC是驱动LED的一个很好的方式,但直流配电系统很少适用于一般照明灯具。

与此相反,交流电普遍存在于家庭、工业、办公室和建筑物中——通常将其放置在靠近LED照明系统所在的地方。交流系统需要比DC更复杂的电路设计,因为必需在某个阶段将交流转换直流。AC到DC线驱动器的转换是LED照明行业目前面临的一个共同挑战,因为它需要应用于几乎所有应用的LED实现中,随着它取代其它的技术,如白炽灯、荧光灯和卤素灯,这一问题越来越受到重视。

目前的解决方案

许多电子和LED公司为应对这一挑战,目前正努力提供LED相关的产品,这些产品支持LED照明应用所需的交流到直流的直接转换。首批进入这一市场的厂家和相应产品的是首尔半导体的Acrich产品线。目前正销售的是Acrich2,这是一个带功率状态IC的完全集成模块。它可用于交流驱动应用,并且也不需要传统的开关模式转换器,因为它可以通过两根引线直接连接到交流电源。它采用了螺纹式线性拓扑结构。这些LED模块也具备高功率因子,可以在许多照明应用中取得最佳的节能效果。首尔半导体已发布了Acrich3,将提供更多改进,包括降低闪烁。

设计工程师应该知道在应用中可以容忍多少LED纹波电流。AC到DC转换直接线方案中,用户注意到的一个常见问题是闪烁。闪烁是由AC线信号的频率产生的,依据于具体的国家,通常这一频率为50-60赫兹。在螺纹式线性方案中100%的电流纹波案例会导致频闪(闪烁)效应,用户在使用时出现生理排斥问题,并且对存在旋转机械的工作环境产生危害。美国能源署发布的固态照明技术简介:闪烁中写道:“LED闪烁的问题主要由LED驱动器造成。”

在过去几年,更高电压的LED已经开始出现,并且扩大了LED照明的范围。这种更高电压LED的推出刚好迎合了人们对更高效LED照明系统功效的期望。这些更高电压的LED通常工作在10-50V的直流电压范围内。

其中的一个示例是Cree公司的新一代高电压LED产品XLamp®MH-B。它们是新一代高功率LED,能够比中等功率(0.5W@,典型值)的LED以更有效的方式提供低成本系统。它们采用5 x 5毫米的封装,其典型正向电压(VF)为37VDC@0.12A,以及0.175A(Imax)的最大驱动电流(最大功率7W)。由于交流线驱动系统的固有更高电压,大量新型电子产品可以将AC变换为DC并且输出较高的直流电压,以适应正在开发的这些新型LED。例如,大约四(4)个这样的产品串联在一起接近美国交流线(4×37VDC=148VDC)的电压峰值。

一种创新方式

德州仪器一直在努力从事AC到DC转换的线驱动研发。德州仪器拥有屡获殊荣的完整产品组合,包括LED驱动器和解决方案,帮助照明开发商灵活地优化他们的设计,以应对这个活力无限市场的苛刻挑战。最近德州仪器推出了一对新产品,提供了更优、更简单的方式为LED照明系统实现AC到DC的转换。今天德州仪器交流方案相比所有已知竞争对手的明显优势是,可以实现低LED电流纹波,从而消除闪烁问题。

德州仪器TPS92411 100V悬浮MOSFET开关(下图)是通过AC电源来驱动LED的高性能方案,可提供高功率因子(PF),低总谐波失真(THD)和低电流纹波。该产品旨在解决和减少闪烁引起的生理和安全问题。它的解决思路如下:仅使用交流电,然后在内部设计中增加存储电容器从而缓冲所产生的能量,以二进制开关结构下的受控方式进行交流到直流的变换,在调制深度上有所减少。该方法的期望优点是降低闪烁指数——从而化解潜在的生理和安全问题。在螺纹式线性设计中电流基于“连通”电流步进。这通常提供了良好的PF校正(> 0.9),但THD很糟糕(THD <30%)。德州仪器开关式线性设计吸收真正连续的正弦电流,从而产生良好的PF校正(> 0.9)和低THD(<15%)。该TPS92411还采用了独特的2n开关步进设计优势,使设计人员能够控制分辨率。这意味在一个设计中使用4个零部件可以达到16个步进(即:2^4 = 16级)。对于用户来说其优点是较高的LED利用率和更好的AC线路追踪。它采用了一种悬浮结构,其中每个TPS92411独立操作,因此没必要进行IC间通信,同时低摆率控制开关还可以降低电磁干扰(EMI)。

德州仪器TPS92410开关控制直接驱动线性控制器(下图)补充辅助TPS92411。它是高度集成的450V线性电流控制器,与TPS92411悬浮开关协同工作,可以提供额外的控制和保护功能。能量转换或EMI滤波时无需磁性元件。该TPS92410/11的配对可达到>0.95 PF,良好的线性整流,以及大于80%的效率。设计师寻求更高的可靠性可以采用热折返功能,当温度过高时它会自动降低LED电流。促进智能、物联网连接的照明是它的一大优势,因为通过传统或RF微控制器(MCU)可以使用暗淡模拟输入来更容易控制光强度。

为获得更进一步的控制、特性和优点,设计师可以在基于MCU的灯具中考虑增加更多的智能控制,比如使用超低功耗16位混合信号微控制器MSP430F5172 或SimpleLink™ZigBee®CC2530片上系统(SoC)解决方案,以应对802.15.4,ZigBee和RF4CE应用。使用这些产品设计工程师可拥有许多有用的通信、控制和调光功能。

总而言之,需要注意到,LED在一个交流为主体的世界中需要转换到直流下工作。LED和电子驱动器的供应商通过开发各种方案来解决这一问题,包括(1)通过螺纹式线性AC驱动器直接转换交流电到直流电,(2)为LED封装提供一系列电压平台,(3)专门针对闪烁问题开发高性能分立电子元件方案。LED和AC线驱动电路的进步在更好地融合,进一步简化了LED照明设计。



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