一、離線式LED驅動電路設計

　　作為一種新型的節能、環保的綠色光源產品，LED擁有廣闊的市場前景。市場現階段已經出現上千款LED驅動IC。其中我們遇到比較多的是單芯片線路結構（圖1a）。

　　根據IC的數據表可知，這類IC為工作于PWM方式的高效LED驅動控制電路，借助于外部電路，能適應從8V到450V 的寬輸入電壓范圍。通過外部的電阻（或電容）可設定固定頻率控制外部功率MOS管，以恒流的方式可靠地驅動LED串。LED的電流可以通過選擇恰當的限流電阻來設定。同時提供線性調光功能，支持低頻可變占空比的數字脈沖（PWM）調光功能。

　　根據應用場合和按照不同的標準，其驅動方案可以分為三種。

　　按照PWM調節方式，可以分成恒定頻率和恒定關斷時間兩類（圖1）。

　　在穩定狀態下加在電感兩端的電壓乘以導通時間等于關斷時刻電感電壓乘以關斷時間：Von*Ton=Voff*Toff，即（Vin-Vo）*Ton=Vo*Toff。

　　從電感的計算公式可以看出這兩者之間的差異性，圖1a中的電感計算式為L = （Vin–Vo） * Ton /ΔI ，圖1b中的電感計算式為L＝Vo*Toff/ΔI。Io=Ip-ΔI /2。如圖2所示電流波形示意圖，電感確定后，圖2a中輸入電壓Vin變化導致紋波電流ΔI變化，以致輸出電流變化；圖2b中的紋波電流ΔI與輸入電源電壓無關。因此在電壓波動較大的寬電壓應用環境下，使用恒定關斷時間電路方式。

　　按照是否隔離，可以分成隔離和非隔離兩類。

　　隔離和非隔離驅動方式主要針對市電交流輸入而言。當采用圖3a的非隔離方式時，建議工作在電流連續模式；當采用圖3b的隔離方式時，建議變壓器工作在非連續方式（即每個周期結束時，變壓器無剩磁），這樣可以保證每次開關周期，變壓器原邊傳送給副邊的能量相同（與電源電壓無關）。

　　圖3b隔離方式為反激式電路結構，當Q1導通時，原邊繞組電流增加，副邊繞組無電流，負載通過C2續流。當Q1關斷時，副邊繞組導通，變壓器存儲的能量通過副邊繞組釋放為負載。變壓器轉移功率P＝1/2*Imax*Imax*L*Fosc。采用這種隔離方式時，必須注意副邊不在環路控制中，有可能出現大電流從而損害LED。使用時必須增加保護電路限流。

　　按照電源類別，可以分成交流和直流兩類。

　　當交流市電作輸入時，只需要將電源電壓整形濾波后接入直流應用電路。

　　基于AX2028的LED驅動電路設計

　　LED產品對其驅動電源的要求包括：穩定、可靠、高效、通用。AX2028是一款LED驅動恒流控制芯片，系統應用電壓范圍為12VDC至600VDC，占空比為0～100%，固定關斷時間工作模式。它支持交流85V～265V輸入，非隔離和隔離應用方案。AX2028采用獨特的技術進行恒流控制和補償方法，使LED電流在交流85V～265V范圍內變化小于±3％。AX2028采用優化的系統結構，使得系統效率高于92％。可廣泛應用于E14、E27、PAR30、PAR38、GU10等燈杯和LED日光燈。

　　AX2028具有多重LED保護功能，包括LED開路保護、LED短路保護、過溫保護。在系統故障出現的時候，電源系統進入保護狀態，直到故障解除，系統又重新進入正常工作模式。

　　在AX2028_TUBE_18W非隔離應用設計（圖4）中，LED光源陣列設計為0.06W白光LED（SMT或草帽燈）24個串聯、12串并聯的方案，驅動288個小功率WLED，總功率為18W。

　　電路采用了EMI抑制電路、整流濾波電路、填谷PFC電路、AX2028恒流系統電路來驅動LED工作。

　　AX2028_TUBE_12W簡化板應用方案的性能指標如下：

　　寬電壓AC 85～265v；輸出 12串12并

　　電流220MA±1MA（輸出電流可調）

　　電壓調整率：1%

　　負載調整率：3%

　　電源效率＞88%

　　PFC＞0.92

　　THD＜45

　　短路保護

　　開路保護；空載輸出限壓＜48V（限壓可調）

　　MOS溫升＜20℃

　　規格指標：

　　單面PCB布局

　　190mm*16mm*11mm，適合T8、T10、日光燈管

　　不易導致器件虛焊，貼片采用豎式排列

　　無噪聲

　　采用獨特電路結構，無閃爍

　　高性價比

　　對于非隔離的燈具，其設計原理可延用上述LED日光燈應用典型方案設計思路經行選擇，改變LED光源排列方式，則可以變換成各種不同形式的LED燈具。針對各種LED燈具對驅動電源的不同要求，可以改變電源的輸出特性設計來滿足各不相同的需求。AX2028可應用于設計隔離與非隔離的球泡燈、PAR燈、筒燈、嵌燈、洗墻燈、臺燈、可控硅調光燈等LED光源燈具的驅動電源。

　　本文小結

　　AX2028在設計上的重大改進使得性能更趨完善，固定Toff工作模式、高占空比、高達92%的效率、高恒流精度等特性，使其更適用于LED照明燈具的驅動電源應用。

　　二、TPS92070低功耗離線LED的照明解決方案

　　TPS92070是一種先進的低功耗，離線LED照明應用中使用的PWM控制器理想。綜合調光接口電路，TPS92070具有非耗散調光，觸發控制電路。TPS92070控制器提供直流LED電流無光度的漣漪效應。直流電流也導致在更高的LED的功效。TPS92070提供指數控制光輸出基于外部調光器的位置。填谷電路實現高功率因數。一次檢測前沿調光器，TPS92070套禁用PFC電路的輸出，從而優化了驅動程序的操作。實現深度調光的LED電流檢測精度誤差放大器。TPS92070主要特性：先進的集成調光接口的非耗散TRIAC調光器管理燈燈在亮度均勻性沒有低頻的光度脈動指數調光簡介創新的二次側反饋，無需光耦器件超過5％的LED電流調節更好的可編程最小LED電流谷開關和DCM降低EMI和提高效率的運作前沿調光器檢測功率因數》 0.8 逐周期電流限制保護低啟動和待機電流PWM MOSFET驅動器集成熱關閉的16引腳TSSOP封裝的TPS92070應用：LED燈泡更換LED燈具的LED嵌燈的LED洗墻燈圖1。TPS92070方框圖圖2。TPS92070應用電路圖230VAC輸入TPS92070EVM-648調的光的LED照明驅動器TPS92070EVM-648的綜合調光的LED照明驅動器轉換為230 VAC輸入1低功率隔離反激式轉換器，提供5板上發光二極管與該TPS92070EVM-648評估模塊（EVM）， 370 mA的驅動電流從額定230 VAC輸入。該EVM旨在展示在一個典型的應用程序，其中可用于普通照明應用需要調光的LED TPS92070 評估模塊使用在低功率離線反激式轉換器TPS92070高效率的集成調光LED照明驅動器控制器提供370 mA的到主板上的LED負載。輸入接受一個標稱50赫茲，230 VAC輸入電壓。TPS92070EVM-648被設計成系列前沿可控硅調光器的輸入電壓開關來控制LED的流明輸出。的綜合調光的TPS92070接口電路提供指數控制光輸出的外部調光器的位置。本用戶指南的原理圖，元件清單，裝配圖和測試設置最多必要的，以評估在一個AC輸入的TPS92070 LED照明應用。A.使用大于240伏交流輸入電壓，建議用戶更換保險絲，至少有300伏的額定電壓在1 TPS92070EVM-648調光的LED照明驅動器主要特性：TPS92070EVM-648的功能包括：?180 VAC至240 VAC輸入范圍370的LED電流調節毫安，標稱6 W的16.5 V輸出先進的綜合調光接口?指數調光個人資料?可編程最小的LED電流?谷交換和DCM工作前緣調光檢測填谷功率因數校正?周期電流限制保護周期TPS92070EVM-648調的光的LED照明驅動器應用：該TPS92070是在低功率照明應用，如使用適合：?LED的光燈泡的更換?LED的燈具?LED的下降，燈?LED的墻

　　三、離線LED控制電路的實現

　　熒光燈與LED相比較

　　LED的工作原理與熒光燈完全不同。單獨電子會在半導體材料的p-n結上跳動（由n區到p區）。有些半導體（如鎵）的帶隙十分寬闊，電子需要相當大的能量才能跳過p-n結。每個電子與原子復合，就會發射出一種光粒子，稱為“光子”。由于所有光線都在結點上一個十分細小的空間內產生，所以只能形成點光源，需要很多LED才能照亮一個大范圍。此外，由于LED不能耗散本身的熱能，所以工作溫度比較高，需要外加散熱功能。

　　盡管LED控制起來比較簡單，但仍然有本身的要求和挑戰。它們不需要引燃或預熱，但電流必須保持恒定，且需配合每個LED的工作。此外，LED的電氣連接有可能需要電隔離，一切取決于應用要求。表1比較了熒光燈與LED的電路要求。

　　包含一個阻止鎮流器產生噪聲的輸入過濾器、一個交流輸入轉換成直流總線電壓的整流器及平波電容器、一個能夠產生高頻方波電壓的控制集成電路和半橋，以及一個用于預熱、觸發和運行熒光燈的諧振輸出級。另外還需加入一些附加的電路才能夠實現調光功能，包括一個隔離型0~10VDC調光接口、一個測量燈電流的檢測電路，以及一個能夠持續調節輸出頻率確保燈電流保持于用戶設定水平的閉環反饋電路。閉環系統的作用是根據熒光燈的非線性電氣特性，適當地調節燈的電流。

　　IRS2530D是一款600V的8腳熒光燈調光控制集成電路，能夠為半橋提供所需的高、低端柵極驅動，包括所有調光功能，同時針對交流及負載故障，為電路提供完善的保護。芯片的其中6個引腳用于處理基本和必要的功能，包括集成電路的供電與接地（VCC、COM），以及半橋的高、低端柵驅（VB、HO、VS、LO）。最大的挑戰是要通過余下的2個引腳（VCO、DIM） 實現其他功能，即預熱、觸發和調光（見圖2）。

　　圖2 IRS2530D器件的引腳分配及功能

　　當一個電壓（典型14V）首次加到VCC，集成電路就會從欠壓鎖閉（UVLO）模式進入預熱/觸發模式。半橋會開始以最大頻率振蕩，VCO引腳內部的電流源也開始從COM對外部電容器線性充電（見圖3）。

　　圖3 預熱、觸發及調光時序圖

　　隨著VCO電壓增加，諧振回路電感器的次級繞組又會給燈絲加熱，輸出頻率會下降。VCO電壓充好之后，頻率會朝著諧振回路電路的諧振頻率水平下降，而燈的輸出電壓會上升。輸出電壓超越了燈的觸發電壓時，燈會點燃起來，電流也會開始流動，使芯片進入調光模式。

　　在調光模式下，電路以一個電流檢測電阻（RCS）來測量交流燈電流。測量結果會通過一個反饋電容器（C2）耦合于DIM引腳的DC參考。DIM引腳上的交流加直流信號會與集成電路內部的COM作比較，從而使頻率得到控制，確保交流分量的谷值保持于COM（見圖4）。

　　當交流谷值保持于COM，直流參考值會上升或下降，交流燈電流幅值也相應增減。直流參考結合交流燈電流，一個引腳可同時支持參考及反饋功能，實現閉環調光控制。

　　新型LED控制電路

　　典型的LED控制電路基于降壓、升壓或反激拓撲設計，用于產生通過一串LED所需的恒定電流。這些拓撲各有優劣，一切取決于輸入電壓范圍、串聯驅動的LED數量、LED串并行的數量、LED輸出電流以及是否需要隔離、是否需要調光，及效率、大小及成本。基于上述原因，電路設計往往變化多端，以滿足不同LED應用的需求。新型電路是由調光型熒光燈應用略為改進而得到的諧振模式電路，適用于不隔離的離線應用。它能夠驅動一或多個串聯的LED，又可輕松擴展，配合不同的LED電流水平，還可通過軟開關得到良好的效率。新電路（見圖5）的設計基于現存的IRS2530D調光控制IC

　　圖5 新型的IRS2530D離線LED控制電路

　　輸出級經過改進，可由熒光燈改為驅動LED。它也不需給負載預熱或觸發，因此可把諧振回路改為一個串聯的L-C-LED類型 （而不是熒光燈慣用的串聯L和并行R-C）。由于輸出電流屬于交流電，因此該電路中加入了一個全波橋式整流器，使電流在每個高頻開關周期內都會流經LED。

　　交流電流檢測仍然通過一個置于整流器底部和COM之間的電阻器來進行，并且對全波整流LED電流幅值直接進行測量。測量結果會通過電阻器RFB和電容器CFB耦合于DIM引腳。IRS2530D的調光控制環路會連續調節半橋開關電路，確保標稱有效值LED電流保持于生產商所定的規格內，使LED電流的振幅得到適當調節。假如LED電流下降，環路就會降低頻率，從而提高諧振回路的增益，增強LED電流。假如LED電流上升，環路就會提高頻率，從而減少諧振回路的增益，減弱LED電流。調光控制環路可針對交流線路、負載和溫度的變化保持LED電流恒定，也用于一或多個串聯LED上。

　　實驗結果

　　實驗結果顯示了在正常啟動和工作狀態下的波形（見圖6及圖7）。

　　圖6 啟動中的LED電流（高1A/div）、DIM引腳電壓（中1V/div）及VCO引腳電壓（低2V/div），時標=50msec/div

　　圖7 啟動中的LED電流（高1A/div），D4:A-D3:A橋式整流器電壓（中25V/div） 及VS引腳電壓（低100V/div），時標=5μsec/div

　　當交流線路電壓首次導入，VCC會充電，啟動IC。輸出頻率由IC的最高頻率開始，一直掃落至串聯L-C-LED諧振電路的諧振頻率。頻率掃描由VCO引腳上的電容器CVCO負責。LED電流（通過電阻器RCS來測量）隨著頻率的下降而增加，使DIM引腳上的交流信號的振幅增加，直到交流信號的谷值到達COM（見圖6）。

　　然后集成電路便進入調光模式，調光環路生效。調光環路會連續調節輸出頻率，確保DIM引腳上的交流信號的谷值保持于COM，LED電流的振幅保持不變。LED電流（見圖7）是全波整流，工作于半橋中點（VS引腳）的兩倍頻率。基于電路的諧振，LED電流的波形呈正弦曲線。這樣便能夠把電流峰值因素保持于低水平，無需過量的峰值電流也可實現標稱LED有效值電流。

　　IRS2530D還包含可針對所有交流線路和負載故障情況提供完善保護的額外電路，包括交流電源掉電、開路（無負載或LED故障）及短路故障情況。

　　結語

　　本文介紹的這款新型離線LED控制電路的結構十分簡潔，可針對LED的需要提供良好的恒流調節功能，又可輕松擴展，適應不同的輸入電壓范圍和LED電流水平，而且能夠靈活地把不同數量的LED連接到輸出。IRS2530D可以成功驅動熒光燈和LED應用電路。該IC在低成本的8引腳解決方案中集成了完整的控制功能，控制環路無論在任何交流線路和負載情況下，都可以提供良好的恒流性能。集成電路更能夠偵測所有故障狀態，然后安全地把電路停止。假如需進一步改進電路，可以考慮加入LED的脈沖寬度調制開/關調光功能。