本文描述了一種在直流照明系統(tǒng)中驅(qū)動LED的新方法，這種方法能提供95%的效率、更長的使用壽命以及更高的抗電氣和機械衝擊力，同時對採用ZXSC300系列DC-DC控制器的實際電路設(shè)計進行了計算和分析。
作為鹵素?zé)舻蛪赫彰鞯囊环N替代技術(shù)，LED照明日益風(fēng)行。與鹵素?zé)襞莶煌氖�，LED沒有效率低、可靠性差以及使用壽命短問題的困擾。本文描述了一種在直流照明系統(tǒng)中驅(qū)動大功率LED的新方法，這種解決方案能提供95%的效率、更長的使用壽命，並能承受更高的電氣和機械衝擊。
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圖1：使用降壓模式DC-DC轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動。 |
在圖1所示的電路中，ZXSC300系列DC-DC控制器驅(qū)動以降壓模式工作的外部開關(guān)。表1列出了12V電源系統(tǒng)的材料清單。透過增加R2的值可提供更高的系統(tǒng)電壓，例如，要得到24V的電壓僅需將R2值改為2.2kΩ，同時電容C1也須有更高的額定電壓，電路基本工作原理如下：
當(dāng)Q1導(dǎo)通時，電流流過LED、電容C2和電感。當(dāng)R1兩端的壓降達到Isense引腳的閾值電壓時，Q1關(guān)斷並保持一個固定時間，電感中的能量流過D1和LED。經(jīng)過這個固定時間後，Q1重新導(dǎo)通，如此循環(huán)往返。
電路工作原理分析
以下將對電路的工作原理進行更詳細地分析，以得到電路參數(shù)及與系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的計算。下面從開關(guān)Q1在一個固定時間TON內(nèi)導(dǎo)通開始分析。ZXSC310將Q1導(dǎo)通直至它在Isense引腳上檢測到19mV電壓(標(biāo)稱值)，於是達到此閾值電壓時Q1上的電流為19mV/R1，稱為IPEAK。
當(dāng)Q1導(dǎo)通，電流從電源流出，流過C1和串聯(lián)LED。假設(shè)LED正向壓降為VF，則剩下的電源電壓將全部落在L1上，稱為VL1，並使L1上的電流以di/dt=VL1/L1的斜率上升。其中di/dt單位為安培/秒、VL1的單位為伏、L1的單位為亨。
Q1與R1上的壓降忽略不計，因為Q1的導(dǎo)通電阻RDS(ON)很小，且R1上的壓降總是小於19mV。19mV是Q1的關(guān)斷閾值電壓，依據(jù)Isense引腳的閾值電壓設(shè)置。
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圖2：12V系統(tǒng)的典型性能曲線。 |
VIN=VF+VL1
TON=IPEAKxL1/ VL1
由於將VIN減去LED正向壓降可得到L1兩端的電壓，故可算出TON。因此，如果L1較小，則對於同樣的峰值電流IPEAK及電源電壓VIN，TON亦較小。請注意，在電感電流上升到IPEAK的過程中，電流流過LED，因此LED上的平均電流等於TON上升期間及TOFF下降期間的電流之和。
現(xiàn)在看一下Q1關(guān)斷期間(TOFF)的情況。ZXSC300系列DC-DC控制器的TOFF在內(nèi)部被固定為1.7us(標(biāo)稱值)，需要注意的是，如果用該值來計算電流斜坡，則其範(fàn)圍最小為1.2μs，最大為3.2μs。
為盡量減少傳導(dǎo)損耗及開關(guān)損耗，TON不能比TOFF小太多。過高的開關(guān)頻率會造成較高的dv/dt，因此建議ZXSC300和310的最高工作頻率為200kHz。假設(shè)固定TOFF為1.7μs，則TON最小值為5μs－1.7μs=3.3μs。然而這不是一個絕對限制值，這些元件已可在2至3倍該頻率下工作，但轉(zhuǎn)換效率會降低。
在TOFF期間，儲存在電感中的能量將被轉(zhuǎn)移到LED，只在蕭特基二極管上有一些損耗。儲存在電感中的能量為：
EQ1
系統(tǒng)能以連續(xù)或非連續(xù)模式工作，兩者之間的差別及對平均電流的影響將在後面解釋。
如果TOFF恰好是電流達到零所需的時間，則LED中的平均電流將為IPEAK/2。實際上，電流可能會在TOFF之前達到零，此時平均電流將小於IPEAK/2，因為在這個周期裏有一段時間LED的電流為零，這稱為‘非連續(xù)’工作模式。
如果經(jīng)過1.7μs後電流沒有達到零，而是下降到IMIN，則稱元件進入‘連續(xù)’工作模式。LED電流將在IMIN與IPEAK之間上升和下降(di/dt斜率可能不同)，此時平均LED電流為IMIN與IPEAK的平均值。
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圖3：24V系統(tǒng)的典型性能曲線。 |
透過用實際值進行計算，上面的原理可運用於實際電路設(shè)計。例如，已知輸出電壓穩(wěn)定的12V直流電源以及3個功率為1W的LED(需要340mA工作電流)，即可參考圖1所示的電路及表1列出的材料清單進行設(shè)計。該設(shè)計可工作在11V至18V電源電壓範(fàn)圍內(nèi)。
電源輸入電壓=VIN=12V，LED正向壓降=VF=9.6V，VIN =VF+VL1。因此，VL1=12V-9.6V=2.4V。
峰值電流=Vsense/R1=34mV/50m(=680mA，此處R1就是Rsense。
TON=IPEAKxL1/VL1
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在上述等式中，近似認為在整個電流上升與下降期間LED正向壓降不變。事實上它會隨電流升高而增大，但這些公式使設(shè)計計算的結(jié)果在實際電路所用元件的容差範(fàn)圍內(nèi)。此外，VIN與VF之間的差值小於它們中的任何一個，所以6.2μs的上升時間將基本上取決於這些電壓值。
值得注意的是，對於9.6V的LED正向壓降以及300mV的蕭特基二極管正向壓降來說，從680mA下降到零的時間為：
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由於TOFF一般為1.7μs，所以電流有足夠的時間降到零。然而，儘管1.5μs已相當(dāng)接近1.7μs，因為元件的容差，線圈電流可能不能降到零。但這不是什麼大問題，因為殘餘電流會很小。需要注意的是，由於對峰值電流的測量及關(guān)斷，不可能產(chǎn)生在具有固定TON時間的轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的危險的‘電感階躍’(inductor staircasing)問題。由於電流可能永遠都不會超過IPEAK，所以即使電流從一個有限值開始成長(即連續(xù)模式)，也不會超過IPEAK，於是LED電流將近似等於680mA與0的平均值，即340mA。它並不是嚴(yán)格意義上的平均值，因為有200ns的時間內(nèi)電流為零，但與IPEAK及元件容差相比這非常小。
圖2與圖3分別描述了12V與24V系統(tǒng)的性能。
電路設(shè)計計算 在TON期間(假設(shè)為非連續(xù)工作模式)，電源的輸入功率等於VIN×IPEAK/2，因而電源的平均輸入電流等於該電流乘以TON相對於整個周期時間的比值。
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從上式可看出平均電源電流是如何在較低電壓下隨著TON相對於固定的1.7μs的增加增大。這是符合功率原理的，因為當(dāng)電源電壓較低時，固定(或近似固定)的LED功率需要更多電源電流才能獲得相同功率。
儲存在電感中的能量等於從電感轉(zhuǎn)移到LED的能量(假設(shè)為非連續(xù)工作模式)，為：
EQ1
因此，當(dāng)輸入電壓與輸出電壓的差別變得更大時，從電感轉(zhuǎn)移到LED的能量比LED直接從電源獲取的能量要更多些。如果能計算出使電流正好在1.7μs時達到零的電感值L1及峰值電流IPEAK，則LED的功率將不會太依賴於電源電壓，因為此時LED中的平均電流總是近似為IPEAK/2。
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表1：12V系統(tǒng)的材料清單。 |
隨著電源電壓的增加，達到IPEAK所需的TON將減小，但LED的功率基本恒定，且在TON期間只吸取從零至IPEAK的電源電流。電源電壓越高，TON佔整個周期的比例越小，所以較高電源電壓時的平均電源電流亦較小，這樣保持了功率(和效率)的恒定。
蕭特基二極管正向壓降會使效率降低。例如，假設(shè)LED的VF為6V，蕭特基二極管的VF為0.3V，則從電感轉(zhuǎn)移過來的能量的效率損失為5%，即蕭特基二極管正向壓降與LED正向壓降之比。在TON期間，蕭特基二極管不在電流迴路中，故不會引入損耗，因此整個效率損失比取決於TON與TOFF之比。對於TON佔整個周期的大部份的低電源電壓來說，由蕭特基二極管導(dǎo)入的損耗並不大。當(dāng)LED電壓較高(多個LED串聯(lián))時，蕭特基二極管導(dǎo)入的損耗也不大，因為此時蕭特基二極管正向壓降在整個壓降所佔的比例將更小。
本文小結(jié)
本文的電路設(shè)計顯示了如何在鹵素?zé)襞萏娲鷳?yīng)用中使用高效率電路驅(qū)動LED。儘管LED擁有比鹵素?zé)襞莞叩某跏汲杀�，但總成本比鹵素?zé)襞莸突蛘呦喈?dāng)。在一些很難進行替代或替換費用昂貴的應(yīng)用中，LED可能是唯一的具有成本效益的解決方案。隨著LED照明輸出效率逐步提高以及成本降低，使用LED照明的趨勢將會更加明顯。
