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本文描述了一種在直流照明系統中驅動LED的新方法，這種方法能提供95%的效率、更長的使用壽命以及更高的抗電氣和機械沖擊力，同時對采用ZXSC300系列DC-DC控制器的實際電路設計進行了計算和分析。 作為鹵素燈低壓照明的一種替代技術，LED照明日益流行。與鹵素燈泡不同的是，LED沒有效率低、可靠性差以及使用壽命短等問題的困擾。本文描述了一種在直流照明系統中驅動大功率LED的新方法，這種解決方案能提供95%的效率、更長的使用壽命，并能承受更高的電氣和機械沖擊。
在圖1所示的電路中，ZXSC300系列DC-DC控制器驅動以降壓模式工作的外部開關。表1列出了12V電源系統的材料清單。通過增加R2的值可提供更高的系統電壓，例如，要得到24V的電壓僅需將R2值改為2.2kΩ，同時電容C1也須有更高的額定電壓，電路基本工作原理如下： 當Q1導通時，電流流過LED、電容C2和電感。當R1兩端的壓降達到Isense引腳的閾值電壓時，Q1關斷并保持一個固定時間，電感中的能量流過D1和LED。經過這個固定時間后，Q1重新導通，如此循環往復。 電路工作原理分析 下面對電路的工作原理進行更詳細地分析，以得到電路參數及與系統設計相關的計算。下面從開關Q1在一個固定時間TON內導通開始分析。ZXSC310將Q1導通直至它在Isense引腳上檢測到19mV電壓(標稱值)，于是達到此閾值電壓時Q1上的電流為19mV/R1，稱為IPEAK。 當Q1導通，電流從電源流出，流過C1和串聯LED。假設LED正向壓降為VF，則剩下的電源電壓將全部落在L1上，稱為VL1，并使L1上的電流以di/dt=VL1/L1的斜率上升。其中di/dt單位為安培/秒、VL1的單位為伏、L1的單位為亨。 Q1 與 R1上的壓降忽略不計，因為Q1的導通電阻RDS(ON)很小，且R1上的壓降總是小于19mV。19mV是Q1的關斷閾值電壓，依據Isense引腳的閾值電壓設置。 VIN=VF+VL1 TON=IPEAKxL1/ VL1
由于將VIN減去LED正向壓降可得到L1兩端的電壓，故可算出TON。因此，如果L1較小，則對于同樣的峰值電流IPEAK及電源電壓VIN，TON 亦較小。請注意，在電感電流上升到IPEAK的過程中，電流流過LED，因此LED上的平均電流等于TON上升期間及TOFF下降期間的電流之和。 現在看一下Q1關斷期間(TOFF)的情況。ZXSC300系列DC-DC控制器的TOFF在內部被固定為1.7us(標稱值)，需要注意的是，如果用該值來計算電流斜坡，則其范圍最小為1.2μs，最大為3.2μs。 為盡量減少傳導損耗及開關損耗，TON不能比TOFF小太多。過高的開關頻率會造成較高的dv/dt，因此建議ZXSC300和310的最高工作頻率為200 kHz。假設固定TOFF為1.7μs，則TON最小值為5μs－1.7μs=3.3μs。然而這不是一個絕對限制值，這些器件已可在2至3倍該頻率下工作，但轉換效率會降低。 在TOFF期間，儲存在電感中的能量將被轉移到LED，只在肖特基二極管上有一些損耗。儲存在電感中的能量為： EQ1 系統可以以連續或非連續模式工作，兩者之間的差別及對平均電流的影響將在后面部分中解釋。 如果TOFF恰好是電流達到零所需的時間，則LED中的平均電流將為IPEAK/2。實際上，電流可能會在TOFF之前達到零，此時平均電流將小于IPEAK/2，因為在這個周期里有一段時間LED的電流為零，這稱為“非連續”工作模式。 如果經過1.7μs后電流沒有達到零，而是下降到IMIN，則稱器件進入“連續”工作模式。LED電流將在IMIN與IPEAK之間上升和下降(di/dt斜率可能不同)，此時平均LED電流為IMIN與IPEAK的平均值。
通過用實際值進行計算，上面的原理可運用于實際電路設計。例如，已知輸出電壓穩定的12V直流電源以及3個功率為1W的LED(需要340mA工作電流)，即可參考圖1所示的電路及表1列出的材料清單進行設計。該設計可工作在11V至18V電源電壓范圍內。 電源輸入電壓=VIN=12V，LED正向壓降=VF=9.6V，VIN =VF+VL1。因此，VL1=12V-9.6V=2.4V。 峰值電流=Vsense/R1=34mV/50m(=680mA，這里R1就是Rsense。 TON=IPEAKxL1/VL1 值得注意的是，對于9.6V的LED正向壓降以及300mV的肖特基二極管正向壓降來說，從680mA下降到零的時間為： 圖2與圖3分別描述了12V與24V系統的性能。 電路設計計算 在TON期間(假設為非連續工作模式)，電源的輸入功率等于VIN×IPEAK/2，因而電源的平均輸入電流等于該電流乘以TON相對于整個周期時間的比值。
儲存在電感中的能量等于從電感轉移到LED的能量(假設為非連續工作模式)，為： EQ1 因此，當輸入電壓與輸出電壓的差別變得更大時，從電感轉移到LED的能量比LED直接從電源獲取的能量要更多些。如果能計算出使電流正好在1.7μs時達到零的電感值L1及峰值電流IPEAK，則LED的功率將不會太依賴于電源電壓，因為此時LED中的平均電流總是近似為IPEAK/2。 隨著電源電壓的增加，達到IPEAK所需的TON將減小，但LED的功率基本恒定，且在TON期間只吸取從零至IPEAK的電源電流。電源電壓越高，TON占整個周期的比例越小，所以較高電源電壓時的平均電源電流亦較小，這樣保持了功率(和效率)的恒定。 肖特基二極管正向壓降會使效率降低。例如，假設LED的VF為6V，肖特基二極管的VF為0.3V，則從電感轉移過來的能量的效率損失為5%，即肖特基二極管正向壓降與LED正向壓降之比。在TON期間，肖特基二極管不在電流回路中，故不會引入損耗，因此整個效率損失比取決于TON與TOFF之比。對于TON占整個周期的大部分的低電源電壓來說，由肖特基二極管引入的損耗并不大。當LED電壓較高(多個LED串聯)時，肖特基二極管引入的損耗也不大，因為此時肖特基二極管正向壓降在整個壓降所占的比例將更小。 本文小結 本文的電路設計顯示了如何在鹵素燈泡替代應用中使用高效率電路驅動LED。盡管LED擁有比鹵素燈泡更高的初始成本，但總成本比鹵素燈泡低或者相當。在一些很難進行替代或替換費用昂貴的應用中，LED可能是唯一的具有成本效益的解決方案。隨著LED照明輸出效率逐步提高以及成本降低，使用LED照明的趨勢將會更加明顯。 |
