一种小功率LED驱动电源非隔离技术的拓扑方案

2万 · 2013-11-27 20:28

随着全球各国日益注重节能减排的要求， LED作为新光源以其高效节能越来越得到广泛的应用。下面主要介绍关于小功率段1-30W之间的LED驱动应用非隔离技术方面的介绍。

阻容降压：

1. 阻容降压的原理和应用：

电容降压实际上是利用容抗限流，而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。

2. 采用电容降压时应注意以下几点：

根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率，限流电容必须采用无极性电容，不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上，最理想的电容为聚丙烯金属薄膜电容。电容降压不能用于大功率条件，一般用于5W以下小功率应用场合，电容降压不适合动态负载条件，电容降压不适合容性和感性负载，在LED电源的驱动方面应用上适合单电压应用。

3. 阻容降压式简易电源的基本电路如(图1)

图1

C1为降压电容器， D1, 2, 3, 4为桥式整流二极管， ZD1是稳压二极管， R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。

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4. 器件选择

电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。因为通过降压电容C1 向负载提供的电流Io, 实际上是流过C1的充放电电流Ic.C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。泄放电阻R1的选择必须保证在规定的时间内泄放掉C1上的电荷。

5. 实际参数计算方法：

已知C1为0.33μF, 交流输入为220V/50Hz, 求电路能供给负载的最大电流。

C1在电路中的容抗Xc为：

Xc=1 /(2 πf C)= 1/(2*3.14*50*0.33*10-6)= 9.65K

流过电容器C1的充电电流(Ic)为：

Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA.

线性驱动电路：

1. 典型的电路如(图2)

图2

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2. 工作原理：
R3为恒流电阻，利用R3的压降来控制TL432的开关，在利用432的开关来控制Q1的导通从而达到输出恒流的目的，选择432的目的是利用432基准为1.21V来降低在R3上的损耗。电流恒流值之为1.21/R3, R1选择根据Q1的放大倍数来选取。
3. 应用场合注意事项：
此电路建议应用在单电压输入，输出电流小电流的LED电源驱动上，比如球泡灯， T管等，一般建议输出电流在100mA下。同时输出电压越接近输入会比较好，这样避免Q1的的压降过大而造成损耗过大，效率较低，因此LED的使用也最好串联使用。

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恒流二极管驱动电路

1. 典型的电路如(图3, 图4)

图3

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图4

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2. 工作原理

理想的恒流源是一种内阻为无穷大的器件，不论其两端电压为何值，其流经的电流永远不变。当然这种器件是不可能存在的。实际的恒流二极管相当于一个在一定工作电压范围内例如25-100V其电流恒定为某一值例如20mA.其等效电路如图5所示

图5

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其内阻为Z，并联的电容大约为4-10pF。其典型的伏安特性如图六所示。

图6

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它在某一个电压范围内有一段恒流区间，在这个区间，流经的电流几乎不变， VL为到达IL的电压值， IL大约为0.8Ip.

3. 应用注意事项

由于恒流二极管需要一定的电压Vk才能够进入恒流，所以太低的电源电压是无法工作的。通常这个Vk大约在5-10V左右所以大多数采用电池供电的LED是无法工作的，最大电流由于恒流二极管的功耗受到限制，所以过大的电流也是不合适的。例如1W的LED通常需要350mA, 恒流二极管就很难提供，目前比较合适的使用场合就是交流市电供电的LED灯具采用很多小功率LED串联也就是高压小电流的情况是最为合适;但是由于恒流二极管的耐压有一定的限制所以它所能吸收的电源电压变化也是有限的。就拿100V耐压的CRD来说用在220V市电电源里都还只能对付有限的电压变化。220V经过桥式整流以后它的输出直流电压大约为264V.如果市电变化+10% ~-15%就相当于整流后为290~187V, 电压变化103V.已经超过其耐压了。因为LED伏安特性的非线性所以很难用公式来表示。总之当市电电压降低时LED中的电流就会随市电电压的降低而降低。其亮度也会跟着变。典型应用电路中图3为典型的应用电路，图4为加了阻容降压的应用电路为了应对低电压的输出场合。

采用单极PFC的Buck电路

随着目前法规和能效的需求，针对LED应用提出高PF以及适应全电压范围都能可靠工作的要求，并且朝小型化方面发展，因此之前的填谷式的PFC电路也需要增加两个高压电容因体积的限制不太适合应用。有鉴如此，国内外很多厂商都推出了适应球泡灯和T管之类的非隔离电源应用驱动方案，下面就以通嘉科技的LD7832做为典型介绍。

2万 · 2013-11-27 20:30

1. LD7832介绍

LD7832是一款应用在Buck电路中采用TM模式控制的高 PF值LED驱动控制芯片，应用外围元件少最大限度的减少了PCB尺寸，保护功能齐全，满足各项功能测试和可靠性应用测试的要求，设计调试相当简单，最大限度的满足客户要求快速设计上线量产并满足法规的需求，适合在30W以下球泡灯， T管等产品应用，为了适应不同需要， LD7832有外置MOS和内置MOS(2A)不同的版本供选择。

2. 特点内置600V高压启动电路

高PFC功能控制器

高效过渡模式控制

低成本设计应用外围零件最少

电流调整精度高

宽范围 UVLO (17V开， 8V 关)

Vcc 过电压保护功能

ZCD欠压保护功能

Cs短路保护功能

环路开路保护功能

IC内部OTP保护功能(针对集成MOS IC)

250mA/-500mA驱动能力

3. 工作原理

LD7832是采用电压模式控制在边界条件下工作的固定开通时间的PFC控制器，利用IC的Comp电压和IC内部的Ramp信号做比较来决定MOS的开通时间。工作原理波形如下图7。

图7

在半个输入电压周期内，控制TON固定，则电感电流峰值跟随输入电压峰值，且相位相同，实现高功率因素PF，有如下等式：

LT)t(V)t(IONIN)peak(L= (1)

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4. 典型应用线路：

图8

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5. 关键零件参数设计

5.1 Buck电感设计

先确定最大占空比，再由输出LED电压，电流算出Buck电感量：

D= VLED/VINDC (2)

L=【(1-D)*VLED】/(2*FSW*ILED) (3)

5.2 Iled 电流设定：

LD7832内置的定电流电压准位为0.2V, 由此：

ILED=0.2/Rs (4)

5.3 Zcd 参数设计：

图9

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LD7832 ZCD的内部电压钳位在0.3--5V，IC通过检测ZCD pin电压来控制Gate on/off并且确保IC工作在TM模式，同时此Pin还具有OVP保护功能，如果IZCD>200uA，ZCD OVP功能启动，加上Rz2的目的是为了减少高电压输入时对ZCD pin的干扰，误触发ZCD 的OVP.建议的Rzcd(RZ1)电阻取值如下式，Rzcd阻值建议至少大于100k:

1.3*uA2005V)(VR)(ZCDOUTZCD(Rz1)_OVP?> (5)---如果没有Rz2

1.3*}uA200{5/Rz25V)(VR)(ZCDOUTZCD(Rz1)_OVP+?> (6)-----如果加上Rz2

5.4 Vcc设计

参考图8， Zenor取值根据VOUT电压设计，一般Vcc取值设定在16V左右， Zenor=Vout-Vcc，Vcc电容设定在10-22μF。

5.5 Comp 参数选择

建议的Comp 电容取值范围在0.22-1μF左右。

5.6 应用实例(输出24V300mA)：

5.6.1实际的应用线路图

图10

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5.6.2 实际测试输出电流精度和效率

图11

图12

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测试条件：

Input:AC90/110/220/264(60HZ)

Output:CV mode: 20.4-27.6V

电流精度 (%)：

5.6.3 PF和THD

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总结

本文主要简单阐述了非隔离线路在LED驱动电源上的一些应用，相比其他，采用Buck PFC的方式可以在全电压下工作， LED恒流精度基本上不受输入电压影响， LED可以以较大的电流工作，并且在全电压范围都能实现较高的效率，工作更加稳定可靠，当然因为是高频开关工作模式也会带来一些EMC的问题，这是无法避免的。