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5W可調(diào)光帶功率因數(shù)校正的LED驅(qū)動器設(shè)計

發(fā)布時間:2011-09-27

中心議題:
  • 討論5W可調(diào)光帶功率因數(shù)校正的LED驅(qū)動器設(shè)計
  • 學(xué)習(xí)調(diào)光性能電路設(shè)計指南
解決方案:
  • 兼容低成本的前沿調(diào)光器和更復(fù)雜的后沿調(diào)光器

一、電路特點描述


RD-251在12 V和18 V的LED燈串電壓下可提供350 mA單路恒流輸出。使用標(biāo)準(zhǔn)的AC市電可控硅調(diào)光器可將輸出電流降低至1% (3 mA),這不會造成LED負(fù)載性能不穩(wěn)或發(fā)生閃爍。該電路可同時兼容低成本的前沿調(diào)光器和更復(fù)雜的后沿調(diào)光器。

該電路用于在通用AC輸入電壓范圍內(nèi)(85 VAC至265 VAC,47 Hz至63 Hz)進(jìn)行工作,但在0 VAC至300 VAC的輸入電壓范圍內(nèi)也不會造成損壞。這樣可以提升現(xiàn)場應(yīng)用可靠性,延長在線電壓跌落和浪涌條件下的使用壽命。基于LinkSwitch-PL的設(shè)計可提供高功率因數(shù)(>0.9),有助于滿足所有現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)的要求,可使單個設(shè)計全球通用。

該電源所選用的外形可滿足標(biāo)準(zhǔn)梨形(A19) LED替換燈的要求。輸出采用非隔離式,要求外殼的機械設(shè)計能夠?qū)㈦娫摧敵龊蚅ED負(fù)載與用戶隔離。

二、電路圖(去除突出顯示的結(jié)構(gòu)框即可用于非調(diào)光應(yīng)用)

注釋:C1、R22及C12未裝配。

對于非調(diào)光應(yīng)用,可去除有源衰減電路和泄放電路,以便檢測到以下元件: Q3、R20、R3、R4、R10、R11、C6及C3。 將R7、R8及R20替換為0歐電阻。

對于僅高壓應(yīng)用,要想匹配如REV 300 W這樣的高漏感調(diào)光器, 可微調(diào)Busch 2250 (600 W)或下列類似元件。將F1替換為47/ 2W可熔電阻,將R7和R8替換為20,將C6替換為220 nF,將R10和R11替換為最小值510 /0.5 W,將C3替換為150nF,并將R16替換為1k/0.25 W。

三、電路原理分析


本電路為非隔離式、非連續(xù)導(dǎo)通模式反激轉(zhuǎn)換器電路,以350 mA的輸出電流為電壓為12V到18 V的LED燈串提供驅(qū)動。驅(qū)動器完全能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作,并提供高功率因數(shù)。本電路可同時滿足輸入浪涌和EMI要求,其元件數(shù)較少,能夠使電路板尺寸滿足LED燈泡替換應(yīng)用的要求。

3.1調(diào)光性能電路設(shè)計指南

對于使用低成本的可控硅前沿相控調(diào)光器提供輸出調(diào)光的要求,我們需要在設(shè)計時進(jìn)行全面的權(quán)衡。由于LED照明的功耗非常低,整燈吸收的電流通常要小于調(diào)光器內(nèi)可控硅的維持電流。這樣會產(chǎn)生調(diào)光范圍受限和/或閃爍等不良情況。由于LED驅(qū)動器的阻抗相對較大,因此在可控硅導(dǎo)通時,會產(chǎn)生很嚴(yán)重的振蕩。在可控硅導(dǎo)通的一瞬間,一股非常大的浪涌電流會流入驅(qū)動器的輸入電容,從而激發(fā)線路電感并造成電流振蕩。這同樣會造成類似不良情況,因為振蕩會使可控硅電流降至零并關(guān)斷,同時造成LED燈閃爍。

為克服這些問題,電路中采用了兩個電路功能塊–一個有源衰減電路和一個泄放電路。這些電路功能塊的缺點是會增大功耗,進(jìn)而降低電源的效率。

在本設(shè)計中衰減電路和泄放電路的取值能夠使一個電路板與的絕大多數(shù)調(diào)光器(600 W以下的調(diào)光器并包括低成本前沿可控硅調(diào)光器)在整個輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。這一設(shè)計可實現(xiàn)在高壓輸入時將一個燈連接一個調(diào)光器來實現(xiàn)無閃爍照明。
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一個燈在高壓下工作會導(dǎo)致最小輸出電流和最大浪涌電流(可控硅導(dǎo)通時),這代表最差情況。因此,主動衰減電路和泄放電路的作用非常明顯:泄放電路可降低阻抗,衰減電路可提高阻抗。但這會增加功耗,進(jìn)而降低驅(qū)動器的效率和整個系統(tǒng)的效能。

要求將多個燈連接到一個調(diào)光器以便正常工作會降低泄放電路所需的電流,此時可增大R10和R11的值并減小C6的值。

如果使燈具僅在低壓(85 VAC至132 VAC)下工作時,可在前沿可控硅調(diào)光器導(dǎo)通時出現(xiàn)的峰值電流大幅降低時降低R7和R8的值。

這兩種更改都會降低散耗和提高效率。

對于非調(diào)光應(yīng)用,可直接省去這些元件,用跳線替代R7和R8,從而提高效率,但不會改變其他性能特性。

3.2輸入EMI濾波和輸入整流

EMI濾波器經(jīng)優(yōu)化可降低對調(diào)光性能的影響。電阻R20為可熔電阻。如果某個元件故障會導(dǎo)致輸入電流過大,應(yīng)選擇可熔電阻來使開路失效。與非PFC設(shè)計或無源PFC設(shè)計相比,薄膜電阻(相對于線繞電阻)是可以接受的。這會在輸入電容充電時降低瞬間功率耗散,但對于在高壓下工作的設(shè)計建議使用2 W的額定值。此外,它們可以限制相位超前可控硅調(diào)光器導(dǎo)通以及電容C4和C5充電時所產(chǎn)生的浪涌電流。當(dāng)可控硅以90度或270度角導(dǎo)通時出現(xiàn)最差條件(浪涌電流達(dá)到最大),它對應(yīng)于AC波形的波峰。最后,它們可以在前沿可控硅導(dǎo)通時衰減在AC輸入阻抗與電源輸入級之間由浪涌電流再次導(dǎo)致的任何電流振蕩。

兩個π型差模濾波器EMI級與C1、R2、L1和C2一起形成一個級,C4、L2、R9和C5形成第二個級。在測試時發(fā)現(xiàn),沒有要求C1滿足傳導(dǎo)EMI限值,因此沒有裝配。

AC輸入由BR1進(jìn)行整流,由C4和C5進(jìn)行濾波。所選取的總等效輸入電容(C4、C5與C6的和)可確保LinkSwitch-PL器件對AC輸入進(jìn)行正確的過零點檢測,這對于在調(diào)光期間維持正常工作和實現(xiàn)最佳性能很有必要。

3.3 有源衰減電路

有源衰減電路用于限制調(diào)光器內(nèi)的可控硅導(dǎo)通時所產(chǎn)生的浪涌電流、相關(guān)電壓尖峰和振蕩。該電路在每個AC半周期的短暫時間內(nèi)連接與輸入整流管串聯(lián)的阻抗(R7和R8),在剩下的AC周期則通過一個并聯(lián)SCR (Q3)旁路。電阻R3、R4和C3決定Q3導(dǎo)通前的延遲時間。

3.4 泄放電路

電阻R10、R11和C6形成泄放電路,確保初始輸入電流量足以滿足可控硅的維持電流要求,特別是在可控硅導(dǎo)通角不夠大的情況下。

對于非調(diào)光應(yīng)用,可同時去除有源衰減電路和泄放電路。為此,可刪除下列元件:Q3、R20、R3、R4、R10、R11、C6及C3。 將R7、R8及R20替換為0歐電阻。

3.5 LinkSwitch-PL初級


LNK457DG器件(U1)集成了功率開關(guān)器件、振蕩器、輸出恒流控制、啟動以及保護功能。集成的725 V MOSFET提供更寬的電壓裕量,即使在發(fā)生輸入浪涌的情況下仍可確保高可靠性。該器件通過去耦電容C9從旁路引腳獲得供電。啟動后,C9由U1從內(nèi)部電流源并經(jīng)由漏極引腳進(jìn)行充電,然后在正常工作期間則由輸出經(jīng)由R15和D4進(jìn)行供電。

經(jīng)整流和濾波的輸入電壓加在T1初級繞組的一端。U1中集成的MOSFET驅(qū)動變壓器初級繞組的另一側(cè)。D2、R13、R12和C7形成RCD-R箝位電路,對漏感引起的漏極電壓尖峰進(jìn)行限制。

二極管D6用于防止IC在功率MOSFET因反射輸出電壓超過DC總線電壓而關(guān)斷時產(chǎn)生負(fù)向振蕩(漏極電壓振蕩低于源極電壓),確保以最小輸入電容實現(xiàn)較高的功率因數(shù)。
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3.6 輸出整流

變壓器的次級由D5整流,由C11濾波。選用肖特基勢壘二極管來提高效率。由于C11在AC過零點期間提供能量存儲,因此它的值決定了線電壓頻率輸出紋波的幅值(因采用全波整流而為2 x fL )。因此可根據(jù)所需的輸出紋波來調(diào)整該值。對于所顯示的680 微F值,輸出紋波為正負(fù)IO的50%。電阻R17和C10用來衰減高頻振蕩,改善傳導(dǎo)及輻射EMI。

3.7 輸出反饋


恒流模式設(shè)定點由R18上的電壓降決定,然后饋入U1的反饋引腳。輸出過壓保護由VR2和R14提供(R14對電流檢測信號的影響微不足道,可忽略不計)。

四、印刷電路板布局
印刷電路板頂部布局(上)和底部布局(下)
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五、裝配后的電路板

六、用于A19 LED替換

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