一种替代卤素灯的坚固、节能和高性能方案
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作为卤素灯的一种坚固、节能和高性能的替代方案，LED 在 24VAC 和 12VAC 照明系统中得到了越来越多的使用。负责驱动 LED 的电源转换器应具有一个高功率因数 (高于 90% 以满足被业界普遍接受的绿色标准)，应拥有高效率，使用极少的组件，并应在运行时保持很低的温升。它们不需要隔离。 一款可满足上述要求的解决方案整合了一个整流器电桥和一个电流控制型同步升压 / 降压型转换器。具体而言，可将一个同步四开关降压-升压型转换器与一个四开关理想二极管整流器电桥配对使用以驱动高功率 LED;较低功率的解决方案可采用一个标准的二极管桥。这两种解决方案皆示于此。 LT3791 60V 四开关同步降压-升压型控制器 IC 能把恒定的电流 (DC 或脉动) 驱动至一个高功率 LED 灯串中。该器件具有一个输出电流反馈环路和一个 CTRL 调光输入引脚，前者用于驱动恒定电流流过一个 LED 灯串，而后者则可连接至一个整流器电桥的 120Hz 半正弦波输出以产生一个高功率因数脉动 LED 电流输出。 LT4320 是一款理想二极管整流器电桥，其可取代 4 个典型的整流器二极管来驱动 4 个 MOSFET，从而实现从 60Hz 24VAC 输入至 24VRMS 120Hz脉动输出的极高效率转换。当电流达到 5A 及更高时，标准整流器电桥中的二极管将耗散大量的功率并升温。LT4320 通过驱动低电阻外部 N 沟道 FET 来帮助高功率 AC 应用以高效率和低温升的方式运行。 98.1% 的功率因数 图 1 示出了一个直接采用 24VAC 以 98.1% 的功率因数运作的 LED驱动器。其能够在 LED 电流峰值为 4.4A 的情况下以 120Hz 脉动功率驱动高达 25V LED。在 120Hz 频率下，人眼察觉不到光的脉动并认为光线的亮度是恒定的。图 2 示出了高功率因数 24VAC 输入电压和电流波形。120Hz 脉动 LED 电流波形示于图 3。 图 1：24VAC至60W LED驱动器 (等效于600W卤素灯) 具有高功率因数和高效率 图 2：60Hz 24VAC 输入波形 图 3：120Hz 脉动 LED 驱动器波形 利用 CTRL 引脚电压完成的 LED 电流折返用于实现高功率因数。最大 LED 电流由 RLED 设定在 4.5A，但是 CTRL 引脚监视经整流之后的 120Hz PVIN 输入电压 (见图 4) 并对 LED 电流波形进行整形以与输入相匹配。当输入降至停机引脚门限以下时，IC 进入停机模式且开关操作停止。LED 电流随着输出电容器的放电而变小并很快，输入上升至高于停机引脚门限且 LT3791 启动后备。由于 CTRL 引脚在低输入情况下折返 LED电流，因此启动条件并不严苛，并且浪涌电流不会影响高功率因数。 图 4：120Hz 脉动 PVIN 高效率和高功率因数 60W 脉动 LED 驱动器 图 1 中的 24VAC 脉动 LED 驱动器转换器能够以 94% 的效率提供大约 60W 的 LED 照明。这款环保型解决方案大致等效于 600W 的卤素灯照明，而且没有使用铅、汞、氩以及氙或氪气体。LT3791 降压-升压型转换器的 4 个同步开关和 LT4320 理想二极管桥的同步开关负责实现高效率。如图 5 所示，尽管执行 60W 转换，电路组件仍然保持低温状态。组件的温升不到 24°C，这表明其为更高功率的应用提供了充足的余量空间。标准的整流器电桥将产生大约 50°C 的温升，而且运行效率要低好几个百分点。 图 5：在图 1 所示的高效率 LED 驱动器中组件保持低温状态。请注意，LT4320 理想驱动器可在满 LED 电流条件下处于低温运行状态。在提供 60W 的 LED 功率时，LT3791 高功率降压-升压型转换器和支持组件的温升小于 24°C。位于电路板背面的 4 个理想二极管桥 MOSFET (嵌入) 的温升小于 13°C (环境温度为 23°C)。 总效率通过分别测量输入功率、功率因数和提供的输出功率来计算。当采用一个 HP 6812A AC 电源，测量值为 63.0W 实际输入功率、64.4W 视在输入功率和 98.1% 功率因数。 输出功率的测量稍微复杂一些。使用一个电流探头和示波器在转换器的输出端上捕捉脉动电流和电压波形。根据这些波形来计算针对 LED 导通时间 (tON) 的转换器输出 RMS 电流和电压。导通时间输出功率为 POUT(ON) = VRMS(ON) • IRMS(ON)。在 LED 断开时间里 (此时电流为零) 输出功率为零。60W 的输出功率借助一个简单的占空比公式来计算：POUT = POUT(ON) • tON • 120Hz。总效率 = 输出功率 ÷ 实际输入功率。 高效率和高功率因数 24W 脉动 LED 驱动器 图 6 中的电路是一款采用 24VAC 输入运作的高效率和高功率因数 24W 脉动 LED 驱动器。由于此处的功率级别不到图 1 中 60W LED 驱动器的一半，因此图 6 中示出的整流器电桥由 4 个分立的肖特基二极管 (而不是理想二极管) 构成。这种出于简单性所做的折衷其代价是效率略有下降和热耗散增加。 图 6：供替代的 24W 解决方案为简单起见采用了一个标准的二极管整流器 该 24W 电路的主体与 60W 电路是相同的，而且两者以同样的方式运作。24W 电路的效率为 90%，低于 60W 电路所实现的 94%。然而，由于总体功率较低，因此这种损耗还是可以接受的，从而使得两者的分立式整流器电桥组件中的温升相当。当采用分立式二极管整流器电桥时，组件仅升温至 49°C (如图 7 所示)，完全符合大多数高功率 LED 驱动器的要求。 图 7：24W 解决方案的热性能 如欲提高效率，只需用一个基于 LT4320 的整流器替换分立型整流器即可。总体而言，当功率级别和温度上升时，在转换器和整流器中运用同步整流的需求程度将随之攀升。 结论 LT4320 和 LT3791 同步降压-升压型脉动 LED驱动器相组合，可在 120Hz 频率下以 98.1% 的功率因数和 94% 的效率提供 60W 的 LED 功率。该电路能够用更加坚固和环保的 LED 轻松地取代高功率 24VAC 卤素灯照明方案。在较低的功率级别上，LT3791 可与一个简单的分立式二极管整流器电桥配合使用，例如：在一个具有 90% 效率和同样高功率因数的 24W LED 驱动器中。 |
