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解析如何为白光LED驱动选择最好的拓扑

作者:时间:2011-12-11来源:网络收藏

  白炽灯时代即将和我们告别了。整个20世纪,爱迪生发明的白炽灯经受住了时间的考验,成为标准的通用照明工具。但新的照明技术-尤其是发光二极管(LED)-必将最终代替白炽灯和荧光灯。

  当整个世界都在因为日益上升的能源成本而节省能源预算时,白炽灯照明技术显然站在了错误的一边。一个白炽灯消耗的能源中有97%被浪费。荧光灯虽然稍好一些,但仍然浪费了85%的能量。而且,这两种灯的平均使用寿命都只有大约5000个小时。另外,荧光灯还使用了有毒的汞,发出的光更是颜色粗糙。这两种技术都无法和相比-它不仅使用寿命是前者的10倍,也不使用有毒物质,而且几乎能发出任何颜色的光。更重要的是,它的光转换效率绝不亚于荧光灯。

各种照明技术对比

表格1:各种照明技术对比

  因此,在通用照明应用领域,向LED技术的过渡将大大降低能源消耗。美国能源部最近一项研究预测指出,到2025年,广泛推广的将为全球节省10%的电能,节约资金达到1000亿美元。美国圣地亚国家实验室表示,这样的能源节省意味着全球的发电厂每年排放的二氧化碳要减少3.5亿吨。政府领导人都开始注意到了这一点。比如,最近澳大利亚就宣布了一项法令终止使用低效率白炽灯,作为其减少温室气体排放并降低家庭能源支出计划的一部分。

  尽管是当今的大规模照明的一个理想方案,但若要把驱动LED的电子设备普及到每一个灯泡中,设计者还面临着不小的挑战。首先,空间的限制要求器必须小巧且高效。同时还要考虑散热因素,它对于照明设备的可靠性有重要影响,给设计密度带来了限制。最后,设计者还必须认真考虑其产品的EMI影响。

  由于用户无法获得驱动设备,设计者可以在低功率(≤3 W)照明领域采用基于非隔离式商业成品型(COTS)感应器的降压和降压/升压开关模式电源(SMPS)转换器。这两种电路都不需要变压器,并且具有很多其它优点。本文就将对这两种拓扑进行对比,并讨论每个拓扑的折衷。

  2个拓扑

  图1展示了1个被配置成1个基本降压转换器(1a)和1个基本降压/升压转换器的LinkSwitch-TN。LinkSwitch-TN在1张单片IC上集成了1个功率MOSFET、振荡器、简单开/关控制方案、1个高电压开关电流源、频率抖动、逐周限流和热关断电路,从而简化了转换器设计,并减少了组件数量。它是通过DRAIN管脚实现自供电的,因此不需要偏置电源及相关电路。作为一个用于在360mA范围以下代替线性和电容型非隔离式电源的低成本高效型方案,LinkSwitch-TN具有一流的线性调节和复杂调节功能,效率比无源方案要高,而功率因素则高于电容型方案。

1个被配置成1个基本降压转换器(1a)和1个基本降压/升压转换器的LinkSwitch-TN

图1:LinkSwitch-TN作为a) 1个降压转换器和 b) 1个降压/升压转换器的基本配置

  图1a中所示的降压转换器有很多优点。首先,它使对应某个选定的LinkSwitch-TN设备和感应器数值的输出功率最大化。它还降低了电源开关和续流二极管上的电压应力。另外,该降压转换器中流过输出感应器的平均电流稍低于降压/升压转换器中流过输出感应器的平均电流。

  降压/升压转换器的配置比起降压转换器有一个主要优势:它的输出二极管是和负载串联的。在降压转换器中,如果MOSFET短路,输入会直接和输出相连。而如果在降压/升压转换器发生MOSFET短路,反向偏置输出二极管会堵住输入和输出之间的通道。

  在这两个转换器中,交流输入都是由D1、D2、C1、C2、RF1和RF2整流并过滤。2个二极管增强了耐线电涌性能和传到EMI。设计者必须在RF1上采用1个熔断防火电阻,但在RF2上则只需采用1个防火电阻。Linkswitch-TN中的开/关控制是用来调整输出电流的。一旦进入回馈管脚的电流超过了49 μA,MOSFET开关就会失效,以准备下一个开关周期。

  将热量最小化

  热管理是器设计者面临的一个主要挑战。尽管LED的效率比白炽灯要高,在3W时它的电路还是会达到一个足以危机设备完整性的温度等级。而且,若要将驱动设备集成到一个标准的GU10灯座中,对散热会造成很大的困难。此时,唯一的散热方法就是将热量传导到灯的底座。在上文所谈到的方案中,LinkSwitch-TN可以添加一个热关断电路,在内核温度超过142℃时关闭功率MOSFET,从而保护LED不受损坏。一旦内核温度降低了75℃时,MOSFET就能自动重启。

  降压/升压拓扑的效率比降压拓扑要稍微低一些,因为电源并不会在每次MOSFET开关开启时都传输到输出处。因此,它产生的热量也相对较多,但二者相差并不大。

作为输入电压函数的源管脚温度
表2:作为输入电压函数的源管脚温度

  为了确保电路拓扑能够满足热调节要求,Power Integrations公司的设计者将一个电源组装部件安装到槽座里,然后测量LNK306DN上(Linkswitch-TN产品系列之一)源管脚的温度。LNK306DN是用来将负载电流调整到330mA,以驱动3个串联的LED。它的输入是85 " 265 VAC的通用输入范围。

  理想状态下,管脚电源温度是不能超过100℃的。但是,正如上面图表所示,在25℃的室温环境下,源管脚温度会随着Vin的上升而急剧升高,并在Vin达到265 VAC时超过100℃。因此,设计者需要进行额外的散热,比如在U1 SO-8C封装的顶端添加散热片,才能满足热管理要求。

  控制EMI

  电路必须符合关于传导EMI的EN55022B/CISPR22B标准。考虑到开关IC的高开关频率以及GU10灯座的有限尺寸,这些要求又给设计者带来了另一个很大的难题。降压/升压电路拓扑中的EMI噪音电流回路从MOSFET开始延伸到输出二极管、输出电容器并返回输入电容器,而降压拓扑中的EMI噪音电流回路是从MOSFET开始穿过续流二极管并返回到输入电容器,前者比后者要长。因此,在降压/升压设计中降噪就相对更难一些。

LED滤波器和电路板

LED滤波器和电路板

图2:LED滤波器和电路板

  为了符合工业EMI规格,Power Integration的工程师将驱动设备分成了两个板:第1个是位于顶端的转换板,另1个是位于底部的输入整流/EMI滤波器板。接着,他们在两个板之间放置了1个法拉第屏蔽板。该屏蔽板和转换器板相连,包含了1张单面镀铜PCB,该PCB另一端位于底部的输入整流/EMI滤波器板上。采用这一设计来驱动3个LED时,输入电压为230VAC的情况下传导EMI比工业EMI标准要求低了大约7 dBμV。

EMI结果(转换器板)

图3:EMI结果(转换器板)

  从成本的角度来考虑,这两个拓扑有着相似的优点。一个典型设计方案一般只需要大约25个组件,而且能够使用低成本的现成的感应器,而不需要定制的变压器。

  在电流感应反馈回路的设计上有一个很重要的区别。电


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