低成本LED照明驅動方案

2021-10-28 03:04:39 字數 2272 閱讀 2346

發光二極體(led)是用於建築物及室內照明的下一代照明元件,發光能效比白熾燈高得多,不過,其必須以專用電子驅動電路,確保不遭受過大應力,從而使它們持續提供產品規格中所宣稱的長壽命。針對此一技術前提,本文將**如何使用簡單led驅動電路來提供必要的可靠性,並將燈具成本降至最低。

led特性加持室內照明設計更有效率

led照明的特性已使室內照明設計人員可進一步設計出新的照明方案,舉例來說,led尺寸小,且可密集排列,使其能置於軟性燈條內,或易於隱藏在櫥櫃及樓梯中,達成更多設計彈性。此外,led的主要工作引數相對簡單,只要保持電流恆定,並低於可承受的最大電流,進一步在設計引數範圍內工作而不遭受過大應力,led使用壽命將比白熾燈泡長一百倍,成為另一項關鍵優勢。所以,若驅動電路符合led規格,其光源輸出將能維持恆定,基本上使用壽命可超過5萬小時。

另一方面,建築物及室內照明燈具的設計方針須針對全球普遍的規範,其燈具須以50或60hz頻率在85~265vac的完整通用電壓規格範圍內工作。涵蓋此通用電壓要求的電源電路已完成設計,並在生產當中,未來可望以此設計為基礎,進一步滲透計算機及手機市場。必須注意的是,這些電源設計系針對終端產品進行優化,但並不必然是led驅動電路的最佳方案。

減輕設計負擔保持電流恆定方案崛起

由於傳統電源提供精確的電壓輸出及不同電流電平,故將一顆電阻與led序列,就可限制電流。而此類設計的先決條件是明確知道led(串)兩端的電壓,且此電壓不會跟隨led溫度變化而改變。但不利的是,led正向電壓通常會隨著溫度而變化,因此led製造商須根據正向電壓對其元件進行編碼,使燈具製造商可構建在固定溫度時與led正向電壓匹配的燈具設計。

在此設計考慮之下,不須經過led編碼的電路具有更強吸引力,因其可節省led製造商的時間,且產製出的led**會更便宜。不僅如此,囿於安全性問題,led正向電壓還具有負溫度係數(即溫度公升高時正向電壓下降),可能導致電路過熱而失控,故還須要求設計人員構建防護電路,又是一筆額外的成本。

因此,led驅動電路的最佳方案是可監測電流並保持電流恆定的方案。此類電路不受led正向電壓影響,無須led編碼,且消除led在正向電壓負溫度係數的影響。加上此類電路應用廣泛,可以是複雜的開關穩壓器或是帶回饋迴路的線性穩壓器,而複雜的開關穩壓器極適合高光輸出應用,如以發光效能為主的街道照明。

由此可見,建築物及室內照明燈具均適合採用簡單、經濟及強固的混合電路設計,雖然其效能要求可能不像複雜的開關穩壓器高,但低成本和簡單的設計架構使其成為極具吸引力的選擇。

成本led驅動電路截波器/穩流器是關鍵

接下來將針對室內照明的簡單、低成本led驅動電路做介紹,圖1所示的電路由整流橋、截波器(chopper)和簡單的穩流器構成,全波橋由二極體d1、d2、d3和d4(1n4004)構成,為截波器電路注入訊號,開關q2(ndd03n50z)將立即導通電容c1(22μf)開始充電。

而分壓器電阻r1和r2分別為330(kω)和390千歐姆,當二極體d5(mmsz5260bt1g)的陰極電壓達到43.5伏特(v)時,齊納(zener)二極體即可導電並導通q1(mpsa44)。當q1被導通後,就會將q2的閘極拉至低電平致其關閉,不過電路中須包含二極體d6(mmsz15t1g),用於保護q2的閘極。

此時,電容c1兩端的電壓維持在80~90伏特之間。c1儲存的電荷為恆流穩流器(ccr)(nsi45020at1g)及led串(此電路示例中含二十二顆led)供電。ccr將led串的電流維持在20毫安(ma)。

電路中包含與led序列的電阻r4(10ω,1.0%),用於測量led串電流(200mv=20ma)。

必須注意的是,圖2中跡線1代表的是整流橋電路的輸出波形;跡線2為截波器電路輸出部分的電容c1兩端的電壓;而跡線3則是電流感測電阻(10ω,1.0%=200mv=20ma)兩端的電壓。

當整流橋電壓增加到高於80伏特時,截波器電路開關也將會限制施加在穩流器電路上的電壓。

另外,透過圖3的示波器跡線,顯示該電路仍有足夠的設計餘量(head room)來讓q1保持在導通狀態更長時間,並使電容c1保持在完整充電的狀態,只是當輸入電壓降低至54vac後,led電流便開始下降。此外,,在265vac的高輸入電壓條件下,q1導通時間極短,不過,圖4中跡線2顯示仍有足夠的能量來為q1充電,並在關閉週期維持led電流。

發揮led優勢照明燈具使用壽命再提公升

事實上,上述的led驅動電路設計可依不同需求進行調節,從而在不同led的陣列條件下工作。舉例來說,ccr已提供高達160毫安的額定電流,但若要支援更高電流,可並列布設ccr,而在c1、r1和r2的選擇上則須使用匹配的led型別及數量,方能達成。

總結而言,本文介紹的電路設計使用簡單的截波器及ccr,其配置能以50或60hz頻率在85~265vac的完整通用電壓規格下工作,讓建築物及室內照明燈具,藉由簡單、經濟及強固的混合電路,發揮led的優勢,以獲得更長的燈具使用壽命。

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