罗姆驱动器IC解决LED照明难题

前言

        如今从家庭到工业，人们的环保意识都已广泛提高，因此具有节能效果的LED照明灯正在作为原有照明器具（白炽灯泡、荧光灯等）的替代品而迅速普及。

        作为LED照明，它需要有能够驱动从灯泡等小型照明的小功率产品到路灯等大型照明的大功率产品电源。而且，这种电源应当与原有照明器具所使用的“可控硅调光”、LED照明专用的“PWM调光”以及可以用体电阻调光的“线性调光”等多种调光方式兼容。为使LED稳定地点亮、调光，需要使用LED驱动器IC,而且要求这种驱动器IC能与功率和调光方式等五花八门的电源相适应。

罗姆LED照明用驱动器IC的特点

        罗姆为了适应上述市场需求而在进行LED照明用驱动器IC的开发。为使LED保持一定的亮度点灯，需要有进行恒流控制的LED驱动器IC。通常，是从交流电源开始进行恒流控制，所以使用降压型开关稳压器方式（图1）。
 


                                            [图1]普通的照明用电源模块

        传统方式中，输入电压变动和输出电压变动大，须根据应用条件重新设计电源模块。如果输入电压变动大，则交流电压频率（全波整流后为100Hz～120Hz）中带纹波的输入电压会使得LED的亮度发生闪烁。为了稳定输入电压，必须在设计电源模块时采取措施。如果输出电压变动大，就必须针对每一个光源的输出电压（LED的灯数）变更外接元器件的常数，设计出许多种电源模块来，从而增加了设计工作量（图2）。而且，由于LED的Vf高低不一，也会致使LED照明器具之间出现亮度不统一的情况。

                                                            [图2] 输入电压特性
 


                                                             [图2] 输出电压特性
 
        开关稳压器用开关的导通时间与关断时间之比来控制LED电流值。传统方式的一般控制方法，是用线圈的峰值电流来决定开关的导通时间。此方法利用输入、输出电压的变化来改变线圈电流的梯度，其结果是LED电流值也变化。（图3－1）

                                  [图3－1] LED电流波形（峰值检测控制）

 

                                       [图3－2] LED电流波形（平均值控制）

        要解决这一问题，应不用峰值电流来控制LED电流，而须用LED电流的平均值来控制（平均电流控制）。但是，平均电流控制用一般情况下使用的模拟电源控制方式难于实现，外接元器件数量有增加的趋势。这次开发的BD555AKFV采用数字电源控制技术，不增加外接元器件的数量，只需检测线圈的电流即可解决上述课题。（图4）

                 [图4] 带可控硅调光的LED照明用驱动器IC BD555AKFV 框图
 
        由于采取数字电源控制，与输入、输出电压无关，可以实现对LED电流的平均值进行控制（图2)。它是对线圈电流进行采样（A/D转换）从而数字化，根据采样数据进行峰值电流的运算以使LED电流的平均值保持恒定。然后，将此运算结果进行D/A转换，反馈到检测峰值电流的比较电路（图3-2)。罗姆使用这种方法从而完全实现了数字控制，这属于业界首创。

        虽然开关电源采用的数字电源控制方式备受关注，但因为通常要使用DSP而存在“电路规模大（成本高）”、“功耗大”等问题，难以应用于LED小型照明。BD555AKFV特别针对LED照明功能开发出专用逻辑，解决了数字电源的弱点——电路、功耗增大的问题。

        数字电源控制的特点是除了平均电流控制功能之外还可以有效地利用调光功能。“BD555AKFV”与“可控硅调光”、“PWM调光”和“线性调光”3种调光方式兼容，能够适应具备多种调光功能的照明器具。

带可控硅调光功能的LED照明用驱动器IC

        业内存在让LED照明灯与原有照明器具所用的调光器组合使用的需求。原有的调光器是使用可控硅等开关元件截取交流输入电压的一部分，根据它的相位角来调节亮度的调光方式，被称为可控硅调光器。可控硅调光器在可控硅处于导通状态时必须使保持电流持续流通；一旦保持电流下降，可控硅便关断了。由于LED照明灯与原有照明灯相比，功耗极低，所以使可控硅的保持电流下降，调光器就往往会因此而不定期关断从而发生闪变（闪烁）现象。（图5）


                                       [图5] 可控硅误动作时的波形
 
        为了防止出现这种闪烁现象，需要有能够确保保持电流恒定的泄放电路，各制造厂商采用各种各样的方式构成泄放电路。BD555AKFV内置有罗姆独创的泄放电路，采取了避免无谓损失的措施。但是，即使装载了确保保持电流恒定的泄放电路，还是有不能防止可控硅调光器引发误动作的情况出现。其原因是因为可控硅接通时使输入电容充电的冲击电流会造成大的瞬变，保持电流瞬间下降从而造成可控硅关断（图6）。

                                                     [图6] 可控硅接通时的顺变电流
 
        采取防止瞬变的措施会致使效率下降，此课题不是可以简单解决的。罗姆对突然发生的瞬变所采取的应对方法是利用数字控制避免产生闪变。传统方式是把经过电容变成平滑的可控硅相位角检测电压输入到调光解码器。电容虽然有滤除瞬变造成的误动作的效果，但无法完全消除100Hz/120Hz低频区发生的误动作，还是会有闪变。BD555AKFV在IC内部装置有数字滤波器，解决了上述问题。BD555AKFV对相位角进行采样，将数字的样值存入存储器。在调节调光亮度之前使样值通过特别针对可控硅调光而设计的数字滤波器，完全屏蔽可控硅调光器突然发生的误动作生成的差错值，防止闪变。（图7）

                   [图7] 可控硅调光器误动作时BD555AKFV的LED电流波形

 今后

        罗姆开发出最适合形式多样的LED照明器具的LED驱动器IC,有助于LED照明的普及。以这次介绍的数字电源技术与调光技术为主，今后还打算利用各种技术，形成内置功率改善电路等品种丰富可供用户根据各种不同用途进行选择的产品线。