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离线线性电流驱动助阵 LED灯管兼顾成本与体积

来源:网络 作者: 时间:2020-09-08

电解电容是造成现今LED灯管驱动电路寿命缩短及设计成本增加的元凶,因此LED驱动器开发商皆致力研发毋须搭配电解电容的新方案。其中,离线式线性定电流驱动器,由于没有使用磁性元件且物料清单(BOM)数量较少,故有助打造兼顾体积及成本的LED灯管。

油电双涨及核四议题的争议下,节约能源已不再是挂在嘴边的口号。家电产品为了获得节能标章,普遍使用变频技术来提升效能,若使用具有变频器的电冰箱或冷气机,每月最高可省下约20%?40%电力,若换算成电费则可省下一笔可观的家庭开销。家电中除了电视和电冰箱几乎天天使用外,照明更是每天不可或缺的必需品,所以照明系统的耗电量也是相当可观。

当台湾发光二极体(LED)照明渗透率达20%时,可节省电力消耗2.56%,约核一厂一个机组的发电量;当渗透率达50%时,省下的电力已超过核四厂发电量的一半;渗透率100%时,则省下1.1座核四厂的发电量。使用高效能LED节能照明系统,其优点为发光效率可达80流明瓦(lm/W)以上,已远高于白炽灯和省电灯泡。假如LED灯搭配上合适的LED驱动器,其发光效率甚至可高达100lm/W。本文主要介绍使用高亮度LED搭配离线式线性定电流LED驱动器,实现节能照明系统的设计方针。

LED驱动器在目前照明市场上可分为离线式线性定电流LED驱动器、切换式LED驱动器及阻容降压式LED驱动器。这三种电路拓扑,主要功能是控制流经LED电流,经由不同的控制架构产生一固定的电流值(Constant Current),此固定的电流使LED激发出最佳的光通量,以下对上述三种LED驱动电路做简单的说明。

离线式线性定电流驱动器成本低

图1所示为离线式定电流LED驱动电路,主要由桥式整流器、离线式线性定电流驱动器DS6609及LED灯所组成。由于驱动电路中只使用到几颗电阻与陶瓷电容,并没有使用到电解电容与磁性元件,因此不会有因为电解电容使用寿命的限制,而导致驱动电路使用寿命降低的问题,且可大幅缩减驱动电路的体积与降低驱动电路的成本。驱动电路中,离线式线性定电流LED驱动器,其可用来驱动由多颗LED灯串接在一起所组成的HV LED灯,依据不同的输入电压大小,来控制LED灯串。当输入电压高于LED灯串的总顺向电压时,此时驱动电路开始工作,以一定电流来驱动LED灯串,此控制方式不但使LED产生最佳流明值,也可以让照明系统达到最佳化。

图1 离线式线性定电流LED驱动电路

切换式LED驱动电路由PWM控制

切换式LED驱动器,是将返驰式(Flyback)或降压式(Buck)转换器经由脉冲宽度调变(PWM)IC的控制,产生一稳定的电流来驱动LED灯串,如图2所示即为切换式LED驱动器以返驰式转换器来实现的电路架构。

图2 切换式LED驱动电路

返驰式转换器主要由桥式整流器、变压器、金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)、二极体、PWM控制晶片及数颗被动元件所构成,返驰式转换器经由PWM控制晶片,让电路操作在临界(Critical)或称为边界导通模式(Boundary Conduction Mode),使流经LED灯串的电流ILED为一固定值(Constant Current)。

[@B]阻容电压式驱动器稳定度差[@C] 阻容电压式驱动器稳定度差

图3所示为一阻容降压式LED驱动电路,主要由桥式整流器、电容、电阻、LED灯串和提供稳压的齐纳二极体(Zener Diode)所构成。假如电源电压Vac远大于LED灯串的总顺向电压,且电容阻抗XC1远大于LED灯串的阻抗,则负载电流Iac可由电源电压Vac和电容抗XC1决定,而且流经LED灯串的电流即为负载电流Iac,于是负载电流Iac可以表示为:

图3 阻容降压式LED驱动电路

其中电容阻抗为:

上式中f为市电频率,C1为电容器容值。负载电流Iac经由电容抗XC1来限制流经LED灯串的电流,使阻容降压式LED驱动器达到定电流驱动功能。

经由上述的简介,在此对目前照明市场上较常使用的三种LED驱动电路做特性比较。经由表1得知,阻容降压式LED驱动电路的稳定度差,而切换式LED驱动电路设计复杂且成本高;相反地,离线式线性定电流LED驱动电路,在电路稳定度、复杂度和成本上占了极大的优势。

离线式线性定电流LED驱动器应用实例

过去LED节能照明系统不被大量推广应用,其主要原因是价格居高不下,所以本文将介绍一种低成本的离线式线性定电流驱动器和LED灯搭配而成的一体化光电引擎,以及经由塑料管组装而成的T8 LED灯管设计实例。

一体化光电引擎是较新颖的LED照明设计方式,将LED灯、桥式整流器、被动元件和离线式线性定电流驱动器布局在铝基板上,即成为一体化光电引擎照明产品。最后将一体化光电引擎电路板组装进塑料管,即完成T8 LED节能灯管。

离线式线性定电流驱动器的基本应用电路如图1所示,此一驱动器不须使用电解电容器、电感器和电磁干扰(EMI)滤波器,在成本和使用寿命上占有极大的优势。在应用电路设计上相当容易,只要设定Pin 6对接地脚(GND)的RSET电阻即可,其计算公式为:

假设RSET=75KΩ,所以流经LED灯串上的峰值电流为42毫安培(mA)。

T8 LED节能灯管的输入电压和电流波形如图4(a)110VAC、(b)220VAC所示,当电流设定电阻RSET接上36kΩ电阻,离线式线性定电流控制器可准确的控制流经LED灯串上的峰值电流固定在87.5mA,而T8 LED灯管的发光效率可达80lm/W以上。[!empirenews.page]

图4 T8灯管输入电压、电流波形

离线式线性定电流驱动器在印刷电路板(PCB)设计非常容易,但仍须注意下面几点:AC电源输入端,须要注意L与N之间大于2毫米(mm)的安全距离;桥式整流器的高压走线应宽而短,与周边线路保持2毫米的安全距离;背面的Exposed Pad须要与铝基板大面积且紧密地焊接,以保证热量的传递,达到最佳的散热效果。

本文提出的高发光效率LED节能灯管的设计实例中,所使用的离线式线性定电流驱动器,在实际应用电路的搭配上并没有使用到电解电容,因此不会因为电解电容使用寿命的限制,而导致驱动电路使用寿命降低的问题;此外,驱动电路中亦没有使用到磁性元件,只有使用到几个电阻与陶瓷电容,因此驱动电路本身具有体积小、成本低廉的优势。


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