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解析LED线性分段式定电流驱动电路工作原理

达鑫电子 游杰安?? 2015年09月21日 ?? 收藏2
由于环保意识抬头,节能省电、使用寿命、色彩饱和度及电源质量等成为消费者考虑购买的因素,因此发光二极管(LED)产品成为未来照明市场的趋势,并且渐渐取代传统省电灯泡,LED照明技术发展成为大家注目的焦点。

近年来,LED芯片技术快速发展及成本下降,使得LED线性驱动器在照明应用上日渐提升,其中,无电磁干扰(EMI)问题、无需使用电解电容、生产方便快速、少量的外围被动组件及成本优势等让线性驱动器成为吸引人的方案。

本文将以达鑫电子脱机式定电流LED驱动IC来介绍线性分段式定电流驱动器的动作原理、LED导通时间及瓦数计算,让各位更能了解此方案的原理。

LED线性驱动器工作原理

首 先将先针对LED线性驱动器基本工作原理作个简单的说明:图1所示为LED线性驱动电路,主要由桥式整流器、脱机式线性驱动IC及LED灯所组成,由此应 用电路可以发现外围被动组件数相当少,且无使用电感磁性组件,电容部分仅使用陶瓷电容,并无使用电解电容,提升产品的寿命。

此LED驱动IC可驱动多颗串联LED并采用分段式点亮架构,分段式点亮架构相较于传统CRD技术有较早导通的优点,因此在光效率上有不少的提升,另外,应用电路中特别标示电流名称,方便后面解释工作原理使用。

图1 LED线性驱动器电路
图1 LED线性驱动器电路

图2为电流工作原理的示意图,当输入弦波电压透过桥式整流器转变成频率双倍的半波电压波形VBD,当VBD渐渐提升来到V1st,此电压为分段式LED设定的第一段电压,此时第一段LED导通,电流为I1st,此电流并流入IC S1 PIN,电流为IS1。

当VBD继续提升至V1st+V2nd,此电压为分段式LED设定的第一段电压加第二段电压,此时第一段及第二段LED导通,电流为I2nd,此电流流入IC S2 PIN,电流为IS2。

最后当VBD继续提升至V1st+V2nd+V3rd,此电压为分段式LED设定的第一段、第二段及第三段电压总和,此时第一段、第二段及第三段LED导通,电流为I3rd,此电流流入IC S3 PIN,电流为IS3。

由波形图可知,第一段LED电流I1st被分段为IS1、IS2及IS3来导通。同样地,第二段LED电流I2nd被分段为IS2及IS3来导通。

图2 线性驱动器电路之电流工作原理
图2 线性驱动器电路之电流工作原理

如何计算导通时间

先 以简单的波形来做介绍,图3为单段的LED导通波形示意图,当VBD电压不断上升来到VLED时,LED将会导通,这段尚未导通的时间定义为 Toff,LED导通的时间定义为Ton,因此整个周期由2Toff与 Ton所组成,而只要用以下公式求得Toff后就能求出导通时间及责任周期:

公式1

图1 系统的总体框图

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公式2

图1 系统的总体框图

________________________________________

其中,VLED为LED的总电压,VPEAK为VBD的峰顶电压,f为VBD频率。

图3 单段LED导通波形示意图
图3 单段LED导通波形示意图

同样的方式,回到分段式架构举个例子,先假设输入源为120Vac且频率为60Hz,LED分段设计为第一段LED电压为88V,第二段为22V,第三段为 22V。由输入源信息可得VPEAK为120V×1.414=170V,f为2×60Hz=120Hz,第一段LED的Toff、Ton及Duty Cycle为:

公式3

图1 系统的总体框图

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第二段LED的Toff、Ton及Duty Cycle为:

公式4

图1 系统的总体框图

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第三段LED的Toff、Ton及Duty Cycle为:

公式5

图1 系统的总体框图

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图4为此例子的分段式架构导通波形示意图。

图4 分段式架构导通波形式意图。
图4 分段式架构导通波形式意图。

输出瓦数计算

关于输出瓦数的计算,由于LED电流与电压波形呈现方波,且LED电流与电压波形为同相位,因此瓦数如下所示:

公式6

图1 系统的总体框图

________________________________________

由以上公式可以计算分段式架构的每段LED瓦数为何,以同样上述的例子,并假设定电流为200mA,可计算第一段LED瓦数为:

公式7

图1 系统的总体框图

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第二段LED瓦数为:

公式8

图1 系统的总体框图

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第三段LED瓦数为:

公式9

图1 系统的总体框图

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因此三段LED总瓦数为11.4W+2.4W+1.9W=15.7W。

以下再以实际测试此例子的波形图来左证,图5(a)为第一段LED的电压电流波形(b)为测试的数据,单位皆为方均根值,经由计算后,瓦数为11.4W,使用Power Meter测试结果为11.27W,数据结果接近计算预估。

图5 (a)第一段LED的电压电流波形(b)测试数据
图5 (a)第一段LED的电压电流波形(b)测试数据

图6 (a)第二段LED的电压电流波形(b)测试数据
图6 (a)第二段LED的电压电流波形(b)测试数据

图7 (a)第三段LED的电压电流波形(b)测试数据
图7 (a)第三段LED的电压电流波形(b)测试数据

图 6(a)为第二段LED的电压电流波形(b)为测试的数据,经由计算后,瓦数2.4W,与仪器测试结果接近2.33W。图7(a)为第三段LED的电压电 流波形(b)为测试的数据,经由计算后,瓦数1.9W,同样的,也与仪器测试结果接近1.8W。由上述证明此计算过程是成立,且有一定程度的准确性。

结论

由 于无电感磁性组件、无电解电容需求、方便快速生产、少量的外围被动组件及成本优势,让线性分段式定电流驱动器在LED照明市场的蓬勃发展,而此方案与传统 切换式转换器架构动作不尽相同,为了各位在设计上能更了解此方案的动作原理,本文介绍了一系列工作原理与计算方式。而文中所介绍的导通时间与瓦数计算方 法,可以在设计此方案前先行评估,在设计上更能减少问题产生。

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LED? 电流驱动? LED芯片?

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