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发布者:来自网络 发布时间:2009-12-31 阅读:13869次   
用PT4115設計LED節能MR16射燈


    目前,PT4115實用射燈模組可提供1顆1W(綠色)、3顆1W(藍色)、1顆3W(紅色)三種驅動模組。樣品模組可通過10萬次帶載開關試驗,在與鹵素燈泡相同的亮度下,耗電可降低一半。本文介紹用PT4115設計MR16射燈的實用技術。

   

1.三種可直接用於產品的驅動模組

圖1是MR16射燈和三種模組的實物照片。綠色模組PM101用於驅動1顆1W 的LED,工作電壓範圍8~24V,恒流值約350mA。紅色模組PM103用於驅動1顆3W的LED,工作電壓範圍8~24V,恒流值約700mA。藍色模組PM301用於驅動3顆1W的LED,工作電壓範圍12~24V,恒流值約350mA。用戶可以根據不同產商的LED參數,通過調整採樣電阻RS 的值修正恒流值。


圖1. 使用PT4115的射燈驅動模組和MR11/16射燈

2. 電原理圖和BOM

圖2是驅動3顆1W白光LED的電原理圖,它是12~24V電壓範圍裡交直流兩用的,D1~D4組成整流橋,這個橋有兩個功能,在輸入是交流電源的時候,把交流整流成直流;在輸入是直流電源的時候,起極性轉換作用,無論輸入電源的極性如何,都能保證電路正常工作。CIN是濾波電容,把脈動直流變換成平滑的直流。RS是取樣電阻,它決定恒流源的絕對精度。L是鎮流電感,把100KHz的脈衝電流變換成三角波電流,L的電感量會影響工作電壓範圍內恒流源的穩定性。D5是續流二極體,在晶片內部MOS管處於截止狀態時為儲存在電感中的電流提供放電回路。由於工作在高頻脈衝狀態,D5應選用正向壓降小,恢復速度快的肖特基二極體。晶片的DIM端可外接PWM脈衝或直流電壓調光,也可以接熱敏電阻作輔助溫度控制和自動亮度控制。如果不用這些功能,DIM埠懸空。


圖2. PT4115驅動3顆1W白光LED的電原理圖

三種模組的電氣參數如表1,這些參數會隨著晶片和週邊元器件的參差性在工程允許的範圍內變化,變化值在10%的範圍內不影響安全性和使用壽命。

3. 調試細則

 

當進行測試時,需要一台配備電流探頭的示波器和一台功率分析儀。模組焊接無誤後,首先測量VIN 端的電壓,工頻交流輸入時,負載空載,VIN是輸入電壓的1.4倍,有載時是1.2倍。高頻交流輸入(電子變壓器)時,VIN是高頻脈衝的整流後的有效值,此值與高頻脈衝的佔空比有關。例如PHILIPS 220V-12V電子變壓器,輸出端的脈衝約30p-p,通過整流後VIN電壓只有11V,因為脈衝佔空比約0.3。直流輸入時,VIN比輸入電壓低0.3V(肖特基整流管)。然後可以接上負載測量SW端的波形和流過負載的電流。電路工作的正常標誌時PT4115的SW腳有開關脈衝波形,流過LED 的電流是充放電狀態的三角波,它的平均值是LED的工作電流,即模組的恒流值。調整RS的值可以改變恒流值,它決定一批產品的絕對精度,建議RS 的最低精度不要小於百分之一。在表1所示的工作電壓範圍裡,如果恒流精度低於10%,建議採用電感量更大的功率電感。

 

圖3是PM101模組實測波形,輸入直流12V,SW腳脈衝幅度約11V,頻率531KHz,恒流值332mA。在/SW方波脈衝正半周時,晶片內置MOS管導通,輸入電壓通過RS、LED給電感充電;負半周時,晶片內置MOS管截止,電感中的電流通過D5放電。放電電流波形呈鋸齒形。為了減小EMI,PT4115工作在擴頻模式,振盪頻率隨著負載電流增大而降低。


圖3. PM101恒流源模組/SW、ILED信號實測波形

圖4是PM301模組實測波形,輸入直流12V,SW腳脈衝幅度約11V,頻率406.5KHz,恒流值349mA。雖然恒流值與PM101相近,但由於負載功率增大了2倍,/SW脈衝的佔空比增大,頻率降低。


圖4. PM301流源模組/SW、ILED信號實測波形

圖5是PM103模組實測波形,輸入直流12V,SW腳脈衝幅度約10.4V,頻率378KHz,恒流值670mA。雖然功率與PM301相近,但由於負載電流增大了近1倍,/SW脈衝的佔空比進一步增大,頻率也進一步降低。


圖5. PM103流源模組/SW、ILED信號實測波形

在大規模生產時,要嚴格控制RS的精度,L的磁飽電流和電感量。如果選用的元器件參數正確,品質合格,在生產線上極少出質量問題。

4. 採樣電阻和鎮流電感的選擇
採樣電阻RS應選用0805的金屬膜電阻,電阻的阻值與負載電流有關,工程上用下列公式計算:

例如,負載是2顆1W的白光LED,查得工作電流是350毫安培,採樣電阻值是:

選用R24系列的0.27歐姆,計算恒流值為370毫安培。實測電阻為0.265歐姆,恒流值為376毫安培。

5. 鎮流電感的選擇

電感是這個電路中的關鍵元件,從原理上講,電感量越大,恒流精度越高。例如用47微亨的電感,輸入電壓在8~30V範圍裡變化,恒流精度是30%;如果用220微亨的電感,恒流精度就能提高到9%以下。影響電感質量的重要因素是磁性材料,建議採用錳鋅4000,居裡點400的磁性。磁性電感的最大缺點是很容易產生硬飽和,這在用戶的設計中經常發生。一旦發生磁飽和後果往往是災難性的,會瞬間燒壞晶片或LED。因而,推薦按表3數值選擇電感,尤其注意電感的飽和電流一定要不小於表3中的值。一般飽和電流小的電感銅線較細,Q值也較小,這種電感即是沒發生磁飽和穩流效果也會很差。

6. 整流二極體的選擇

‧?? 目前市面上MR16射燈的最大輸出電流通常設置為350mA-900mA之間。

  1. 由於MR16的驅動板空間有限,通常建議選用體積小、導通壓降低的肖特基二極體(1A,40V)搭建整流橋,推薦型號為MBRS140,其封裝體積較小,300mV左右的導通壓降有利於最大可能的提高轉換效率。


圖6. 鹵素射燈專用高頻電子變壓器

‧?? 但是如果輸入輸出壓差超過8-10V以上時,從散熱的角度以及保證系統能夠長時間穩定工作的方面考慮,則應選擇體積稍大散熱條件較好的SS14產品,SS14在成本方面也有優勢,但是其導通壓降大約在500mV左右。成本和轉換效率就看您如何取捨了。

7. 使用高頻電子變壓器作輸入電源的問題

高頻電子變壓器是把工頻交流高頻交流的轉換器,如圖6所示。它具有體積小,價格便宜的優點,常用於鹵素射燈的電源。由於鹵素燈的鎢絲熱惰性很大,對電壓降和電壓波形的變化不敏感,用電子變壓器供電能正常工作。LED是電子器件,反映速度快,有正向壓降,V/I特性呈指數曲線等特性,高頻電子變壓器作LED輸入電源會面臨一些技術問題。首先是有一些廠家的電子變壓器採用間歇振盪的方式進行-AC-AC變換,輸出的電壓波形不是正弦波,而是不連續的脈衝波形,有的還伴有寄生振盪,如圖7 所示,這種電源有下面問題:
(1)內阻很大。
(2)整流後不是平滑的直流。
(3)存在較大的EMI。
對於第(1)點,用示波器測試電子變壓器的空載輸出電壓,如圖7所示脈衝幅度的峰峰值很大,交流12V標稱輸出端的間歇脈衝有35~50V。接上負載後,會降到30V左右,而且輸出電壓會隨著負載電流而變化。全波整流後有效直流電壓會降到11V以下,驅動3顆串聯的LED就會點不亮。


圖7. 電子變壓器輸出的交流波形

對於第(2)點,由於是間歇振盪結構,整流後電流不是連續的,LED會產生閃爍現象。圖8上邊的波形是電子變壓器接在PM103上全波整流後的電壓波形,有7.5V的紋波,紋波寬度等於間歇振盪頻率的週期,有幾到幾十毫秒。不同廠家的產品頻率會有差異。下邊的波形是用電流環測量流過LED的電流,可以看出是不連續的。


圖8. 用電子變壓器後,驅動LED的電壓和電流

對於第(3)點,由於高頻變壓器有高頻振盪和間歇振盪兩個頻率,PT4115的SW端也有一個振盪頻率,三個頻率本身和它們互調產生的組合頻率會在很寬的頻帶上產生電磁輻射,干擾其他電氣設備。

注意不能用三用表的交流電壓檔直接測量高頻電子變壓器的輸出電壓,因為三用表的交流頻響低於1KHz,測量的結果沒有參考價值。

如果用戶一定要在低於11V的電壓點亮3顆LED,可以用圖9所示的自適應升降壓拓撲結構,它能在7.5~12V電壓範圍內點亮3顆LED。使用這種方案時電流檢測電阻RS的取值要適當大一點,使VIN-VCSN<150mV, 否則內部短路保護電路就會啟動而關斷MOS管,使LED熄滅。我們推薦的RS取值範圍是0.28~0.3歐姆,用精度1%的電阻,在交流輸入7.5~12V的範圍內都能驅動3顆1W的LED,輸入電流是242~348毫安培。這種方法的缺點是效率略低,恒流效果不如圖2電路,但工作狀態是安全可靠的。


圖9. 自適應升降壓LED驅動方式

8. PCB注意事項

PT4115是工作在幾百千赫高頻下的功率器件,PCB設計要注意電流容量,散熱和EMI三項事宜。首先要注意PCB板上的銅箔厚度和過孔的直徑和數量。推薦按照2.5A/cm2的規範設計電流回路的有效截面積,因而D1~D4、RS、LED、L、SW、D5這些節點的PCB銅箔寬度不小於3毫米,並鍍錫加筋,金屬化過孔直徑不小於0.3毫米,用4孔並聯,用焊錫填充。

MR16射燈的燈座中,空間小,散熱條件差,要挖掘一切潛力保證散熱。晶片的Exposed pad要可靠地焊接在PCB鋪銅上減小熱阻,協助散熱,雙面地鋪銅總面積不應小於180平方毫米,並且用多個金屬化過孔連接起來。當輸入功率減去輸出功率大於1.5W時,不適於安裝在MR16燈座中。
PT4115的開關頻率在1MHz以下,晶片在擴頻模式下工作,設計中已經考慮到EMI,PCB設計中用濾波和遮罩手段可進一步減小EMI。

9. 注意事項

PT4115是40伏的CMOS工藝製造的,電子功率器件要安全可靠地工作,必須留有足夠的冗餘度,如果沒有良好的散熱條件,不推薦在高於AC25V和DC30V和電源電壓波動大於12%的環境中使用。


PT4115资料...http://www.micro-bridge.com/PT4115.asp

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