羅姆驅動器IC解決LED照明難題

前言

        如今從家庭到工業，人們的環保意識都已廣泛提高，因此具有節能效果的LED照明燈正在作為原有照明器具（白熾燈泡、熒光燈等）的替代品而迅速普及。

        作為LED照明，它需要有能夠驅動從燈泡等小型照明的小功率產品到路燈等大型照明的大功率產品電源。而且，這種電源應當與原有照明器具所使用的“可控硅調光”、LED照明專用的“PWM調光”以及可以用體電阻調光的“線性調光”等多種調光方式兼容。為使LED穩定地點亮、調光，需要使用LED驅動器IC,而且要求這種驅動器IC能與功率和調光方式等五花八門的電源相適應。

羅姆LED照明用驅動器IC的特點

        羅姆為了適應上述市場需求而在進行LED照明用驅動器IC的開發。為使LED保持一定的亮度點燈，需要有進行恒流控制的LED驅動器IC。通常，是從交流電源開始進行恒流控制，所以使用降壓型開關穩壓器方式（圖1）。
 


                                            [圖1]普通的照明用電源模塊

        傳統方式中，輸入電壓變動和輸出電壓變動大，須根據應用條件重新設計電源模塊。如果輸入電壓變動大，則交流電壓頻率（全波整流后為100Hz～120Hz）中帶紋波的輸入電壓會使得LED的亮度發生閃爍。為了穩定輸入電壓，必須在設計電源模塊時采取措施。如果輸出電壓變動大，就必須針對每一個光源的輸出電壓（LED的燈數）變更外接元器件的常數，設計出許多種電源模塊來，從而增加了設計工作量（圖2）。而且，由于LED的Vf高低不一，也會致使LED照明器具之間出現亮度不統一的情況。

                                                            [圖2] 輸入電壓特性
 


                                                             [圖2] 輸出電壓特性
 
        開關穩壓器用開關的導通時間與關斷時間之比來控制LED電流值。傳統方式的一般控制方法，是用線圈的峰值電流來決定開關的導通時間。此方法利用輸入、輸出電壓的變化來改變線圈電流的梯度，其結果是LED電流值也變化。（圖3－1）

                                  [圖3－1] LED電流波形（峰值檢測控制）

 

                                       [圖3－2] LED電流波形（平均值控制）

        要解決這一問題，應不用峰值電流來控制LED電流，而須用LED電流的平均值來控制（平均電流控制）。但是，平均電流控制用一般情況下使用的模擬電源控制方式難于實現，外接元器件數量有增加的趨勢。這次開發的BD555AKFV采用數字電源控制技術，不增加外接元器件的數量，只需檢測線圈的電流即可解決上述課題。（圖4）

                 [圖4] 帶可控硅調光的LED照明用驅動器IC BD555AKFV 框圖
 
        由于采取數字電源控制，與輸入、輸出電壓無關，可以實現對LED電流的平均值進行控制（圖2)。它是對線圈電流進行采樣（A/D轉換）從而數字化，根據采樣數據進行峰值電流的運算以使LED電流的平均值保持恒定。然后，將此運算結果進行D/A轉換，反饋到檢測峰值電流的比較電路（圖3-2)。羅姆使用這種方法從而完全實現了數字控制，這屬于業界首創。

        雖然開關電源采用的數字電源控制方式備受關注，但因為通常要使用DSP而存在“電路規模大（成本高）”、“功耗大”等問題，難以應用于LED小型照明。BD555AKFV特別針對LED照明功能開發出專用邏輯，解決了數字電源的弱點——電路、功耗增大的問題。

        數字電源控制的特點是除了平均電流控制功能之外還可以有效地利用調光功能。“BD555AKFV”與“可控硅調光”、“PWM調光”和“線性調光”3種調光方式兼容，能夠適應具備多種調光功能的照明器具。

帶可控硅調光功能的LED照明用驅動器IC

        業內存在讓LED照明燈與原有照明器具所用的調光器組合使用的需求。原有的調光器是使用可控硅等開關元件截取交流輸入電壓的一部分，根據它的相位角來調節亮度的調光方式，被稱為可控硅調光器。可控硅調光器在可控硅處于導通狀態時必須使保持電流持續流通；一旦保持電流下降，可控硅便關斷了。由于LED照明燈與原有照明燈相比，功耗極低，所以使可控硅的保持電流下降，調光器就往往會因此而不定期關斷從而發生閃變（閃爍）現象。（圖5）


                                       [圖5] 可控硅誤動作時的波形
 
        為了防止出現這種閃爍現象，需要有能夠確保保持電流恒定的泄放電路，各制造廠商采用各種各樣的方式構成泄放電路。BD555AKFV內置有羅姆獨創的泄放電路，采取了避免無謂損失的措施。但是，即使裝載了確保保持電流恒定的泄放電路，還是有不能防止可控硅調光器引發誤動作的情況出現。其原因是因為可控硅接通時使輸入電容充電的沖擊電流會造成大的瞬變，保持電流瞬間下降從而造成可控硅關斷（圖6）。

                                                     [圖6] 可控硅接通時的順變電流
 
        采取防止瞬變的措施會致使效率下降，此課題不是可以簡單解決的。羅姆對突然發生的瞬變所采取的應對方法是利用數字控制避免產生閃變。傳統方式是把經過電容變成平滑的可控硅相位角檢測電壓輸入到調光解碼器。電容雖然有濾除瞬變造成的誤動作的效果，但無法完全消除100Hz/120Hz低頻區發生的誤動作，還是會有閃變。BD555AKFV在IC內部裝置有數字濾波器，解決了上述問題。BD555AKFV對相位角進行采樣，將數字的樣值存入存儲器。在調節調光亮度之前使樣值通過特別針對可控硅調光而設計的數字濾波器，完全屏蔽可控硅調光器突然發生的誤動作生成的差錯值，防止閃變。（圖7）

                   [圖7] 可控硅調光器誤動作時BD555AKFV的LED電流波形

 今后

        羅姆開發出最適合形式多樣的LED照明器具的LED驅動器IC,有助于LED照明的普及。以這次介紹的數字電源技術與調光技術為主，今后還打算利用各種技術，形成內置功率改善電路等品種豐富可供用戶根據各種不同用途進行選擇的產品線。