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具有高性价比12W LED驱动器的设计
■<上海 杨恒
摘要:LED通用照明是LED发展的最终目标,驱动器性能的优劣是影响LED照明灯具寿命的主 要因素之一.合理地设计好LED驱动器是能充分发挥LED的长寿命. 关键字:ACT50;恒流;恒压;宽输出电压
1. 引言
据有关市场调研机构不久前的调查报告显示,2011年 LED市场总额将达到90亿美元,其中主要的增长点或者说83% 以上的增长都将来自于新兴应用所推动的高亮度LED产品需 求的扩大,包括用于标识和显示,汽车内外照明以及一般照 明等. LED的光效比传统白炽灯高10倍左右,以同样消耗1W的 电功率为例,白色LED发出的光通量约为100流明,而传统白 炽灯泡只能发出10流明.从节能的角度而言,LED所耗费的 燃料比灯泡所耗费的少10倍.LED无疑是更环保的照明灯. 要点亮LED,当然需要驱动器.对LED驱动器的需求数 量主要按照功率来划分,因为每一种应用都可能采用大量的 LED.表1所示是对全球LED驱动器出货量的预测,其中可见 输出功率<6W的LED驱动器市场增长最快这一趋势.(见表1) 随着生产LED新材料的不断更新,新工艺的不断完善, LED产品的价格必然会大幅度下降,LED发展的终极目标是 进入通用照明.LED驱动器为功率转换型电路,大多数采用 开关型拓朴,存在着电感与电容等非线性器件,该类元件的 寿命与驱动电路设计的是否合理,直接决定了LED照明产品
的使用寿命;同时在实际应用时,通常需要满足多个LED串 联的情况,LED串联数目的改变,意味着驱动器的输出电压 的跟随变化,而驱动器输出电压在大范围的变化,增加了驱 动器控制IC供电的困难.本文介绍基于ACT50组成高性价 比,宽输出电压的LED驱动器的设计.
2. ACT50的特点及主要性能简介
对于12W输出功率,宽输出电压的驱动器,其主电路拓 扑从成本的角度考虑一般以反激式为主.通常可选择的驱动 IC较多,分为开关管内置与外置式,开关管内置式单片IC可 选择如PowerINT公司的TNY279,TOP243等;Infineon公司的 ICE3A1065;ST公司的VIPer-53E;Onsemi公司的NCP1028, NCP1050等;尽管这类单片IC在使用时比较方便,周围元件 少,但就是成本太高;另一类为控制IC与开关管分离式,如 384X+MOSFET,Fairchildsemi公司的FAN7554+MOSFET, Active-Semi公司的ACT50+NPN及其它一些组合,综合考虑 这几种方案的利弊,最后我们还是选择ACT50+NPN的控制方 式.理由主要是成本便宜,性能稳定,比较适合于输出功率 小于30W的驱动器.
表1 世界LED驱动器出货量(单位:百万美元)
功率 15W 合计
2005 40.8 14.1 157.5 212.4
2006 48.5 15.7 184.3 248.5
2007 57.3 17.6 212.1 287.1
2008 67.6 20 240.5 328.1
2009 79.7 22.8 270.3 372.8
2010 94.4 26.1 303.9 424.4
复合年增长率 18.2% 13.1% 14.1% 14.9%
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2.1 ACT50主要特点
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●超低待机功耗,在输入电压为264VAC时仅为300mW, 满足CEC,蓝天使及能源之星的要求 ●支持NPN发射极驱动,总方案具有最低的成本 ●快速响应的PWM电流控制模式 ●非常低的线路与负载调整率 ●60KHz开关频率 ●具有线路补偿功能 ●可设定限流点 ●50uA启动电流 ●很小的SOT23-5或DIP-8封装 ●DIP-8封装在无需散热片情况下输出功率达到30W 图1 ACT50的两种封装形 ACT50具有SOT23-5与DIP-8两种封装形式,SOT23-5的 封装芯片内部结点到环境温度的热阻(θJA)为190℃/W;DIP-8 为105℃/W,因此在选择封装时要注意在输出功率,散热条件 与最高工作温度之间作折衷.ACT50的两种封装形式如图1; ACT50的引脚功能如表2所示. 表2 ACT50的引脚功能
2.2 ACT50的引脚图与引脚功能
引脚数 SOT23-5 1 2 3 4 5 DIP-8 3 1 4 2 8 5
引脚名称 VDD G GP FB ISET SW
引脚功能介绍 供电端.IC内部VDD被箝位在16.5V. 地. 功率地.该引脚必须连接到地端(只适合于DIP-8封装) 反馈输入端.电流由FB端流出进入光藕. 限流设定端.可通过由ISET与地端之间的外部电阻来设定限流点. 发射极驱动开关端.
500ms定时器,偏置/欠压锁定和调整电路组成. ACT50的主要特点是可以驱动外部一个N沟道功率 MOSFET或高压的NPN开关三极管.对NPN三极管来讲,利 用发射极驱动电路方式可以使用更高耐压的VCB0电压, 允许使用如"13003"的低成本三极管(VCBO=700V)或者
2.3 ACT50的电气参数(如表3所示) 2.4 ACT50的原理框图与主要功能介绍
图2是ACT50的原理功能框,它主要由电流模式开关控 制,两个中等电压的功率MOSFET并联,有一个电流检测电 阻,振荡器和斜坡电流产生器,误差放大器,误差比较器,
表3 ACT50的主要电气参数(VDD=VDDON;TA=25℃)
参数
VDD导通电压 VDD截止电压 VDD箝位电压 源电流 开关频率 ISET电压 FB环路开路箝位电压 FB输入阻抗 FB偏流 最大占空比 最小占空比 限流 导通电阻 SW上升时间 SW下降时间 SW截止电流
符号
VDDON VDDOFF VDDCLAMP IDDSU IDD IDDHICCUP fsw VISET VFBC ZFB IFB DMAX DMIN ILIM RSW tR tF ISWOFF
测试条件
上升沿 下降沿 IDD=5mA 在导通之前 在导通之后,RISET=25KΩ 在导通和打嗝之前 RISET=25KΩ IFB=0mA;RISET=25KΩ VFB=3.2V VFB=0V;RISET=25KΩ ISW=10mA ISW=100mA RISET=25KΩ RISET=50KΩ ISW=100mA 驱动15Ω,1nF负载 驱动15Ω,1nF负载 开关处于关闭状态, VSW=20V
最小
VDDON+1 14 10
典型
15 11 VDDON+1.5 50 0.9 70 60 2 3.2 4 500 75 3.5 1.5 0.6 1 60 40 1
最大
VDDON+2 100 2 140 75 2.2 3.6 800 83 1.8 0.75 16 12
单位
V V V uA mA uA KHz V V KΩ uA % % A A Ω ns ns uA
45 1.8 2.8 67 1.2 0.45
10
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"13002"(VCB0=600V),使用在宽AC电压上.这种驱动方 式的另一个主要特点是限制了外加的NPN三极管的关闭速度 比率,因此具有非常低的EMI干扰.
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ACT50利用电流模式PWM控制电路,自动工作在开关模 式状态,在满载输出时具有非常高的效率. 在正常工作条件下,利用光藕的光敏三极管端将变压器 次级绕组整流滤波后的电压信号反馈到FB端进行调节,以维 持输出电压的稳定.ACT50电流控制模式具有逐周期开关电 流控制功能,这是由于使用了固定工作频率方式,使电路具 有非常好的线路调整率和负载响应.
图2 ACT50应用连接图 图4 NPN三极管反向偏压安区工作区域
2.4.1 启动顺序
由图2可见,在电路启动期间,通过大电阻值R1的小电流 给电容C1充电,使VDD端电压逐渐增加,也使通过NPN三极 管连接的SW端电压也升高.当ACT50的VDD电压充电到15V 时开关工作,由光藕组成的反馈网络也开始进行环路控制, 使输出电压达到设定工作点.同时由变压器辅助绕组Na经 VD2整流,R3限流继续给电容C1提供能量,以维持VDD电压 的稳定,利用辅助绕组供电同样提高了电路的转换效率.
在轻载时,在每一个开关周期内,ACT50只需少量的能 量就能维持工作,利用低频调制工作模式,从而使待机功耗 小于300mW,满足CEC,蓝天使等能效限制要求.在重载条 件下,例如输出端短路时,ACT50自动进入"打嗝"工作模 式,以保护IC自己和负载的安全.在电路短路情况下,变压 器辅助绕组电压严重下降,因此不能继续给电容C1充电,从 而使VDD电压低于11V而使IC脱离正常开关工作模式,如要 恢复到继续工作的时间或者通过R1给C1充电到15V的时间大 约需要500ms,此时ACT50试图再次进入正常工作状态,可是 却不能.如果短路状态继续维持,ACT50将工作在"打嗝" 模式,直到故障排除才恢复到正常工作状态.图3是"打嗝" 工作模式.
2.5 ACT50应用技巧
2.5.1 外部功率三极管的选择
ACT50允许使用一个低成本,高压的NPN功率三极管, 如"13003","13002"可安全地工作在反激式拓扑中. 在满载且输入电压达到265VAC时需要的集电极耐压等级为 图3 ACT50"打嗝"工作模式 选择启动电阻R1的阻值要在启动时间与待机功耗间做折 衷.该电阻值可以使用2MΩ,以达到非常低的启动电流和待 机功耗. 600~700V.从图4的VC-IC图中我们可以看到,当采用发射极 驱动时,NPN三极管的反向电压得到了提高.表4列出了适合 于ACT50的一些三极管的反向电压.像输出功率小于20W的 驱动器,采用NPN三极管比MOSFET管在成本上便宜一半或 更多些. 表4 推荐的功率三极管 VCE0(V) 300 400 400
2.4.2 适应PWM控制方案
型号 MJE13002 MJE13003,KSE13003 STX13003
VCB0(V) 600 700 700
IC(A) 1.5 1.5 1
hFEMIN 8 8 8
封装 TO-126 TO-126 TO-92
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2.5.2 输出功率
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700mA(±2.5%).电路主要由EMI抑制电路,输入整流滤波 电路,DC/DC转换电路,输出整流滤波电路,恒压/恒流控 制电路组成.图7是图6驱动器的PCB板图,PCB板尺寸为 58×30mm,整个电源的高度为20mm.
ACT50的最大输出功率由以下几个因素决定,如AC输入 电压;外部高压功率三极管的功率余额;系统的热设计;以 及变压器的结构等. 最大输出功率受电流限制控制,可通过在ISET端与地之 间的外部电阻来设定,图5给出了电流限制电阻值与电流限制 之间的关系.
3.1 EMI抑制电路
因输出功率仅为12W,因此EMI抑制电路采用简单的л 型电路,由图6可见,由C1,L1,C2组成.L1可采用标准的 色环电感,或用工字型磁芯绕制,绕制时注意导线的直径, 太细的漆包线虽然可以得到较高的电感量,但正因为线径太 细,造成的直流损耗上升,且防电流冲击能力下降.
3.2 DC/DC转换电路
我们知道,大部分反激式开关电源在DC/DC转换电路 中,一般使用MOSFET管,当输入电压达到264VAC时其VDS 耐压到大于600V;MOSFET管的耐压越高其RDSON越大,因此 价格也越高;而使用ACT50控制IC时,可以组成发射极驱动 电路,利用三极管的VCB0电压大于VCE0,从而可以使用NPN的 三极管来满足耐压的要求,可以达到降低开关管成本,从而 图5 限流值与RISET 降低整个电源的成本的目的. 在图6电路中,首先由电阻R2给电容C5积分充电,当C5 上的电压充电到VDD导通电压15V时U1开始工作,直流高压 经变压器初级绕组1~3,Q2 的C-E极到U1的SW端,经U1内部 的MOSFET管到地构成回路.R7给Q2的基极提供一个恒定的 驱动电流;当Q2截止时由D8提供放电通路.变压器辅助绕组 4~2感应电压经R5,D6整流,C4滤波,R6,D7,Q1组成线性
3. 基于ACT50组成的具有高性价比,宽输出 电压的LED驱动器设计
图6是基于ACT50构成的12W宽输出电压LED驱动器. 输入电压为100~240VAC;输出电压为3~19VDC,电流为
图6 基于ACT50组成的具有高性价比,宽输出电压的LED驱动器
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图7 图6电路的PCB板图 稳压器继续给U1提供VDD电压,使电路维持正常的运转.因 为考虑到输出电压在3~18.5V范围内变化,因此变压器VDD部 分采用正激式形式,这样可以减少该绕组的匝数与改善EMI 特性.为了降低U1的功耗,串入电阻R8来控制流入U1的工作 电流,该电阻值不能太大,根据经验一般取100Ω较适合.电 阻R9用来设定限流点,由图5可见,选R9=39KΩ,电流大约 被限制在0.85A左右,比较适合输出功率在12W的电路.电容 C6是为了抑制EMI而加入,主要是对传导起帮助,该电容值 不宜太大,否则会影响电源的转换效率. 持连接;适当地加大散热器固定脚的铜箔面积有利于散热. ②保持输入滤波电容,变压器初级绕组,三极管高压回 路与ACT50之间的距离仅可能地近. ③保持ACT50的SW端与高压三极管的发射极引脚之间的 走线尽量地短. ④保持变压器次级绕组,输出整流二极管及输出滤波电 容之间的环路面积最小. ⑤在高压三极管,输出整流二极管及电流检测电阻区域 的铜箔面积仅可能地大,以增加散热面积. ⑥为降低输出纹波电压,在输出电容的'+','-'连 接处,可采用"豁口"的布线方式.
3.3 恒压/恒流控制电路
电阻R11~R18,U2,U3,C10~C13组成恒压/恒流控制电 路.当输出电流小于设定值时,电路由R15,R16,U2,U3 的一个放大器组成恒压控制电路,输出电压值由R15,R16的 分压值决定,电阻R13限定U2光藕的工作电流,该电流一般 取3~5mA比较合理,若太小影响则调节灵敏度;太大则增加 了损耗.U2,U3的另一个放大器,R11,R12组成恒流控制电 路.该恒流控制电路之所以用放大器来实现,是因为输出电 流达到700mA,若直接采用电阻采样,则在电阻上消耗的功 率较大,导致效率下降,且这种类型的放大器成本很低,只 是输出电压不能超过其VCC工作电压.U3内部电流放大器的基 准电压为200mV,因此电流检测电阻R11,R12可按R=0.2V/ ILED计算.
3.5 ACT50 12W LED驱动器变压器结构与绕 制方法
图8 ACT50 12W LED驱动器变压器结构图 ACT50控制IC的工作频率为60KHz,输出功率为12W, 因此我们根据PCB板可用空间与实际输出功率,选用EE19的 磁芯,磁芯材质为PC40或相当于PC40的磁芯.从安规角度考 虑,因变压器的窗口面积有限,无法用档墙,所以变压器次 级绕组采用三层绝缘线来绕制,所有的引出线必须加相应直 径的铁弗龙套管.变压器的绕制结构如图8所示,绕制方法如 表5所示.表6是变压器的主要电气参数.
3.4 ACT50 LED驱动器的PCB排板注意点
当设计ACT50 LED驱动器时请参考以下排板方式,具体 可参考图7. ①ACT50的VDD旁路电容与地,与IC的功率地,与输入 储能电容之间请采用"星型"连接方式,将输入滤波电容和其 它地回路连接到初级地回路,散热器至少有一个固定脚与地保
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表5 ACT50 12W LED驱动器变压器(EE19)绕制方法 绕组 SH1 P1 SH2 S1 SH3 P2 接线端 头 开路 3 2 A 开路 2 尾 2 1 开路 B 2 4 匝数 22 125 22 31 22 17 导线与层数 胶带 2UEW 2UEW 2UEW TEX-E 2UEW 2UEW 线径*数量 0.12*3 0.30*1 0.12*3 0.35*1 0.12*3 0.12*3 层 1 3 1 2 1 1 隔离要求 厚度/宽度 25u/9.0mm 25u/9.0mm 25u/9.0mm 25u/9.0mm 25u/9.0mm 25u/9.0mm 层 1 2 2 2 1 2
表6 ACT50 12W LED变压器主要电气参数 项目 1 2 3 描述 电气绝缘强度 P1电感量 P1漏电感 条件 初级与次级间,50Hz,1分钟 测试电压为1V,频率为60KHz,引脚3与1之间 在其它绕组短路时,引脚3与1之间的电感量 限制 3KVAC 1.8mH±7% <75uH
注:L(3-1)=1.8mH(±10%,测试频率=60KHz).
4. 结言
LED通用照明是LED发展的最终目标,驱动器性能的优 劣是影响LED照明灯具寿命的主要因素之一,合理地设计好 LED驱动器是能充分发挥LED的长寿命.设计宽输出电压范
围的LED驱动器最难点在于控制IC V CC电压的合理设计,若 V CC设计不合理,要么使效率下降;要么不能满足工程的需 要.若主电路拓扑为反激式,实践证明VCC绕组采用正激式+ 线性稳压方式是一种较为可行的方式.
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