一种仅需几个元件的世界通用AC-DC恒流LED驱动器

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ZD832是世界首款适用于85~240VAC交流电源输入的无外加变压器或电感器及桥式整流器的AC-DC恒流LED驱动器IC，它仅需外加几个元件，可以驱动近百颗串联在一起的（3.3V、30mA）白光或RGB LED，并具有数字PWM或模拟电压调光功能，提供过热和过电压保护，不会产生EMI。
关键词：ZD832；全球通用；AC-DC恒流；LED驱动；无变压器；调光；保护
1、引言
　　LED在景观照明、建筑装饰照明和普通照明应用中，工频市电（110V/60Hz、220V/50Hz）和太阳能将是主流原始能源。就由交流市电电源供电的LED驱动电路来说，目前主要有两种设计方案。一种方案是先利用工频变压器将AC电源降压，再利用桥式整流和滤波电路实现AC-DC转换，最后通过一个DC-DC恒流驱动器为LED或LED阵列供电；另一种方案是采用开关电源拓扑结构。这种方案是先利用桥式整流和滤波电路完成AC-DC转换，再利用一个DC-DC开关变换器输出恒流来驱动LED或LED阵列。传统开关电源的DC-DC开关转换器需使用一个高频变压器，目前一些LED驱动器IC组成的DC-DC降压式（buck）开关变换器一般不使用高频变压器，而是使用一个电感器。由此可见，无论是采用哪一种方案，都需要使用桥式整流器、工频或高频变压器或电感器。变压器和电感器大而笨重，这对于LED照明电源的小型化和轻量化要求来说是极为不利的。
　　Zywyn公司推出的世界首款全球通用AC-DC恒流LED驱动器ZD832，采用高度集成的线性结构体系，无需外加变压器或电感器，也不需要外加桥式整流器，仅需用几个元器，就可以在85~125VAC或180~240VAC的交流电源上操作，驱动近百颗串联在一起的低功率白光或RGB LED。ZD832的输出电流达30mA，可由单个电阻来编程。其调光控制可以通过在引脚PWM上施加一个带变化占空比的PWM信号或在引脚ISET上施加一个模拟DC电压来实现。ZD832含有过温度和过电压保护电路，十分坚固耐用，而且在应用中不存在EMI问题。
2、ZD832引脚功能及其操作
2.1  ZD832引脚功能
　　为了正确使用ZD832，首先要了解其引脚功能。ZD832采用20引脚TSSPO无铅绿色封装，引脚排列如图1所示。
　　ZD832各个引脚功能见表1。

表1  ZD832引脚功能

2.2  ZD832操作描述
2.2.1  输入操作
　　（1）AC输入电压及其选择
　　在ZD832引脚VAC+和VAC-上的AC输入电压范围为85~240VAC。当IC引脚VSEL连接到HVCC（16引脚）时，输入电压为85~125VAC；当IC引脚VSEL悬空时，IC可以在180~240VAC的电压上操作。
　　（2）高压DC输入
　　当在IC的引脚VAC+和VAC-上没有AC电压施加时，在IC引脚HVCC上可以施加一个范围为85~340VDC的直流高压来直接驱动LED串。为减小可能出现的电压纹波，在引脚HVCC上应连接一个1μF//400VDC的电容到PGND端。
　　（3）调光信号输入
　　1）LED PWM调光
　　在IC引脚PWM上施加一个50Hz~5KHz的输入PWM信号，可以对输出上的LED串进行调光，并且调光与PWM占空因数成正比，调光范围从10%到90%。
　　当PWM信号在引脚PWM上为逻辑“0”时，IC则进入关闭模式；当PWM信号为逻辑“1”（≥2V）时，IC则完全开通。逻辑低电平电压典型值是0.2V。
　　2）模拟电压调光
　　用一个0~1.25的DC电压通过一个电阻RSET加至IC的引脚ISET，可以调节LED的电流，实现线性模拟调光。如图2所示。当DC电压为0V时，相当于RSET接地，LED电流在RSET的设置值上，亮度最大（100%）。随DC电压从0V逐渐增加到1.25V，LED电流则相应减小，亮度从强到弱变化。
2.2.2  输出操作
　　（1）整流DC高压输出
　　在ZD832引脚HVCC上的DC输出电压范围为85~340VDC，可以驱动几十个乃至百多个串联在一起的LED。为减小IC引脚HVCC上整流输出电压纹波，在引脚HVCC上应连接一个至少是10μF的退耦电容到PGND端。IC输出平均DC电压VHVCC值与AC输入电压、输出电容COUT和LED电流ILED值有关，图3所示为在220VAC输入和不同输入电容COUT及ILED时的VHVCC值。
（2）LED电流设置
　　LED电流ILED由IC引脚ISET上与PGND之间连接的单个电阻RSET来设置，计算公式为：
　　ILEG=2200V/RSET
　　RSET的取值范围为73kΩ，故ILED值范围为3~30mA。LED电流ILED与设置电阻RSET之间的关系如图4所示。
　　（3）IC引脚VOUT上的限制电阻REXT
　　IC引脚VOUT上的电压范围一般为3~30V，LED串通常连接在IC引脚HVCC与VOUT之间，LED电流从引脚VOUT灌入。为防止IC内部功率晶体管功率耗散过大，并保持VOUT<30V，在很多情况下需要在IC引脚VOUT外部连接一个限制电阻REXT（见图5和图6等）。
　　若串联LED数量为n，每个LED的正向电压降是VF，IC引脚HVCC上的DC输出电压为VHVCC，引脚VOUT上的电压为VOUT（设置其≥7V），REXT值则为：
　　REXT=（VHVCC-n?VF-VOUT）/ILED
　　REXT的额定功率为：PREXT=（ILED）2?REXT
　　设VF=3.3V（@ILED=30mA），COUT=10μF，在不同AC输入电压时的设计数据如表2所示。

表2   不同AC输入电压时的相关设计数据

3、ZD832驱动LED串的电路实例
3.1  输出30mA的电流驱动VF为3.3V的LED组成的LED串电路
3.3.1  输入110VAC±3%驱动35个LED串联在一起的电路。
　　图5所示为ZD832输入110±3%驱动35个LED串联在一起的电路。在输入端（引脚VAC+）上串联的1kΩ/0.5W的NTC热敏电阻，用作限制驱动器在启动时的浪涌电流。当浪涌电流通过后进入稳态操作时，热敏电阻的电阻值因温度升高降至约100Ω。根据热敏电阻的热敏特性，AC电源接通与关断之间的持续时间应大于2~3S。由于AC输入电压是110VAC，IC引脚VSEL必须连接到HVCC。在IC引脚HVCC上的输出DC电压为133VDC，引脚VOUT上的限制电阻REXT被设置在270Ω。IC引脚VOUT上的电压为：
　　VOUT=VHVCC-35VF-VREXT=133V-35×3.3V-30mA×270Ω=9.4V
　　由于ILED=30mA，RSET值则为：
　　RSET=2200V/30mA≈73kΩ
3.3.2  输入220VAC±2%驱动78个LED串联在一起的电路
　　一个220VAC±3%的AC输入电压加在ZD832的VAC+和VAC-引脚，在引脚HVCC上将产生一个286VDC的DC平均输出，驱动78个VF=3.3V（@IF=30mA）串联在一起的LED。IC引脚VSEL悬空，将REXT设置在270Ω，RSET=73kΩ。
3.3.3  220VAC±2%输入带电容降压驱动40个LED电路
　　图7为220VAC±2%的AC输入经RC电路降压驱动40个串联在一起的LED电路。连接在ZD832输入引脚VAC-上的CAC为降压电容，RAC为泄放电阻。在AC电源关断后，RAC为CAC放电提供通路。220VAC±2%的AC电压约110VAC，因此IC引脚VSEL必须连接到HVCC。在IC引脚HVCC上的平均输出DC电压约150VDC，驱动40个VF=3.3V的LED，不必附加限制电阻。
3.3.4  180~240VAC输入驱动65个LED电路
　　ZD832输入180~240VAC驱动由VF=3.3V（@30mA）的65个LED组成的LED串的电路如图8所示。IC引脚HVCC上的平均输出电压VHVCC=227~310VDC，经齐纳（稳压）二极管DZ、电阻R1和晶体管Q组成的线性稳压器调节后，输出电压为VO。当VHVCC=220VDC时，VO=219~230VDC。由于VOUT≤18V，故不必附加限制电阻。220V的齐纳二极管可选用3W的BZG03-C220-TR，NPN晶体管Q的BVCEO≥300V，ICM=1A，如2N3439、NTE157/NTE396等。
3.2  输出30mA驱动两串90个VF=3.15V（@15mA）LED电路
　　图9所示电路的AC输入电压范围为180~240VAC，经RAC与CAC降压网络后施加到ZD832的VAC+和VAC-端，在IC引脚HVCC上的平均输出电压VHVCC=160~220VDC，输出电流由73kΩ的RSET设置在30mA（±6%）。当VHVCC为150VDC时，通过150V的齐纳二极管和双极晶体管Q，开始将VO调节到150~160VDC。90个3.15V的LED分成两串，每串含有45个LED，通过LED的电流为15mA。齐纳二极管选用150V/3W的BZG03-C150-TR，Q可选用300V、1A的NTE157。
3.3  两个ZD832并联输出8W驱动66个3.16V（@40mA）LED电路
　　两个ZD832可以并联应用，如图2所示。每个ZD832的RSET=110kΩ，输出电流为2200V/110Kω=20mA，两个ZD832并联后输出总电流为40mA。AC输入电压范围为200~240VAC，所驱动的LED串含有Custom公司生产的66个VF=3.16V（@40mA）的LED。
　　在图10中，若在两个ZD832的引脚VAC-上加一个RC网络（见图7和图9，RAC=470KΩ，CAC=1.5μF），选择RSET=73kΩ，IC引脚VSEL连接HVCC，并选用150V的齐纳二极管，在输入200~240VAC时，则可以驱动42个VF=3.16V（@60mA）串联在一起的LED。
　　由于ZD832在85~125VAC或180~240VAC的供电线路上操作，可以驱动3~30mA（并联输出达60mA）的几十个乃至百余个串联在一起的LED，故在普通照明、景观照明、建筑装饰照明、大屏幕显示背光照明等方面有着广泛的应用。ZD832可以驱动各种形状因数（form-factor）的LED灯泡，如图11所示。
4、结束语
　　ZD832高压AC-DC恒流驱动器能够在85~240VAC国际通用AC线路上操作，仅利用其引脚VSEL来选择85~125VAC或180~240VAC输入电压。ZD832在非并联应用时最大可编程输出恒流为30mA，可以驱动几十颗乃至超过100颗相串联的白光LED或RGB LED。利用带变化占空比的PWM信号或模拟DC电压可以获得调光控制，改变LED阵列亮度。ZD832还含有过热和过电压保护电路，保护内部功率晶体管免遭损坏。ZD832的一个重要特点是仅需用几个元件，而且不需用变压器和电感器，也不必外加整流器，就这方面来说在目前是举世无双的。