Der Einfluss von Spannung und Strom auf LED-Leuchten

Auftreten des Problems

Heutzutage kommt ein neuer Typ von LED-Treiberchips mit hoher Helligkeit auf den Markt, der ein breites Anwendungsspektrum in der Beleuchtungstechnik hat. Ausgehend von dem Effekt der Energieeinsparung und der Verlängerung der Lebensdauer ist es in diesem Papier ein neuer Trend, die MR16-Halogenlampe mit niedrigem Wirkungsgrad durch eine LED mit hoher Helligkeit zu ersetzen. Dann wird die Anwendung des High-Brightness-LED-Treiberchips der Schlüsseltechnologie diskutiert. Der Kernpunkt dieses Papiers ist die Analyse und Einführung der Eigenschaften und Anwendungstechnologie der neuen Hochleistungs-LED-Treiberchips max16820 und zxsc310.

Zuallererst, was ist der Defekt der traditionellen MR16-Halogenlampe. Im Vergleich zu LED-Hochleistungslampen hat eine Niedervolt-Halogenlampe einen geringen Wirkungsgrad, eine geringe Zuverlässigkeit und eine geringe Lebensdauer. Die Leistungsaufnahme gängiger MR16 Halogenlampen reicht von 10W bis 50W, und der Lichtstrom reicht von 150 Lumen (LM) bis 800lm, was einer Effizienz von 15 Lumen/W oder 15 % Lichtausbeute entspricht. Eine typische Halogenbirne hat eine Lebensdauer von etwa 2000 Stunden. Außerdem kann das Filament durch heftige Vibrationen vorzeitig beschädigt werden.

Obwohl die MR16-Lampe weit verbreitet ist, begrenzen viele Nachteile der Halogenlampe ihr Anwendungspotential. Daher hat sich in den letzten Jahren als Ersatz für Niedervolt-Halogenbeleuchtung die LED-Beleuchtung durchgesetzt. Mit anderen Worten, weiße LED kann die 10-W-Halogenlampe in MR16 ersetzen, wodurch die inhärenten Mängel der Halogenlampe überwunden werden. Wenn Sie eine LED-Beleuchtung als Ersatz für eine Niedervolt-Halogenbeleuchtung in Betracht ziehen, ist es daher am wichtigsten zu überlegen, welche Art von Hochleistungs-LED Sie wählen sollten, und dann den neuen LED-Treiberchip mit hoher Helligkeit als Treiber zu verwenden.

Auswahl von Hochleistungs-LED

Es sollte gesagt werden, dass die aktuelle LED-Technologie eine Halogenlampenalternative bietet, die mit MR16 kompatibel, sehr zuverlässig und kostengünstig ist. Zum Beispiel hat die neue Generation von 5W (Einzelchip, 4mm x 4mm Gehäuse) und 10W (4 Chips, 7mm x 7mm Gehäuse) Hochleistungs-LED der Firma LedEngin eine typische Lichtausbeute von 45 Lumen (LM) / W bei Strom von 1000mA und Sperrschichttemperatur (TJ) + 120 ℃.

Unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen entspricht ein 5-W-Paket einem typischen Lichtstrom von 155 Lumen (Strom 1000 mA, Sperrschichttemperatur TJ = + 120 ℃), während ein 10-W-Paket 345 Lumen eines typischen Lichtstroms bietet (Strom 700 mA, Sperrschichttemperatur TJ .). = + 120 ). Wenn die LED die gleiche Helligkeit wie die Halogenlampe erzeugt, reduziert sich der Stromverbrauch um ca. 50 %. Darüber hinaus ist LedEngin dabei, eine LED mit 90 % Lichtausbeute (100 khr, Sperrschichttemperatur TJ = + 120 ℃) ​​einzuführen, die während der gesamten Lebensdauer des Produkts die Glühbirne nicht ersetzen muss.

Eigenschaften und Anwendung des LED-Treibers mit hoher Helligkeit zxsc310

★Eigenschaften von zxsc310

Zxsc300 / 310 ist ein einzelliger oder mehrzelliger LED-Blitztreiber mit einem Eingangsspannungsbereich von 0,8 V bis 8 V. Es ist mit einzelnen NiMH-, NiCd- oder Alkalibatterien kompatibel. Die Hauptmerkmale sind: 94 % Wirkungsgrad, niedriger Anlaufstrom und programmierbarer Ausgangsstrom; Reihen- oder Parallel-LED-Konfiguration, Schalter für niedrigen Sättigungsstrom; Der Strom des Hauptschalters beträgt 4 μ A, der statische Strom der Bohnen beträgt 200 μ A, die Gehäuseform ist ein SOT23-5-Gehäuse.

Zxsc310-Anwendungen: LCD-Hintergrundbeleuchtung, digitale Standbild-Videokamera, PDAs, Mobiltelefon, LED-Blitz und -Zünder, weiße LED-Treiber und Multi-LED-Treiber.

★Verwendung des LED-Treibers zxsc310 zum Aufbau einer Systemalternative zur Niedervolt-Halogenbeleuchtung

 

Es ist eine neuartige Annäherung an das Ansteuern von Hochleistungs-LEDs,

 

Eingang VIN beträgt 12 V, LED-Durchlassspannungsabfall VLED beträgt 9,6 V, VIN = VLED + VL, also VL = (12-9.6) = 2,4,

 

Spitzenstrom VSENSE / R1 (R1 ist RSENSE) = 34mv / 50MW = 680mA, Ton = ipeak X L1 / VL

TON=680mA X 2.2H／2.4V=6.2μs

Es wird davon ausgegangen, dass der Durchlassspannungsabfall der LED ein fester Wert bei dem Prozess des Stromanstiegs und -abfalls entlang der Diagonale ist, so dass die durch diese Gleichungen berechnete TON ein ungefährer Wert ist. Tatsächlich ändert sich der Durchlassspannungsabfall der LED mit dem Strom. Bei der Konstruktion und Berechnung sollte nicht nur die Toleranz der in der tatsächlichen Schaltung verwendeten Komponenten, sondern auch die Änderung des Durchlassspannungsabfalls der LED berücksichtigt werden. Ebenso ist der Unterschied zwischen VIN und VLED im Vergleich zu den beiden oben genannten Unterschieden relativ gering. Daher müssen wir diese Spannungsfaktoren auch bei der Berechnung der 6,2 μs TON-Periode berücksichtigen.

Nachdem wir den obigen Inhalt verstanden haben, wissen wir, dass der Spannungsabfall der LED 9,6 V beträgt und der der Schottky-Diode 300 mV beträgt. Die Berechnungsformel für die Zeit, die erforderlich ist, um entlang der diagonalen Linie von 680 mV auf Null zu sinken, lautet wie folgt:

TDIS = 680mV x 2,2 µH /（9,6+0,3）= 1,5 µs

der Strom kann in dieser Zeit wegen der 1,7 µs Periode auf Null reduziert werden. Allerdings ist die Zeit zwischen 1,5 µs und 1,7 µs sehr knapp. In Anbetracht der Toleranz der Komponenten wird der Spulenstrom wahrscheinlich nicht auf Null reduziert. Aber der Reststrom ist klein, was kein großes Problem darstellt. Nach dem Verständnis des obigen Inhalts und aufgrund der Größe des Spitzenstroms und des Schließens des Schalters ist es unmöglich, dass die Induktivität während der TON-Periode des Wandlers einen gefährlichen Zustand auftritt.

Der Strom wird nie ipeak überschreiten. Auch wenn dem Strom zu Beginn (d. h. im Dauerbetrieb) ein begrenzter Wert zugewiesen wird, wird der Strom ipeak nicht überschreiten. Daher ist der LED-Strom der ungefähre Mittelwert von 680mA und Null, also 340mA (streng genommen ist der LED-Strom nicht der Mittelwert, da es eine Periode von 200ns gibt, wenn der Strom Null ist, aber verglichen mit der Toleranz von ipeak und Komponenten, die Fehlerquote ist geringer).

12V Systemleistung: Wenn der Widerstand von R2 von 1,2k auf 2,2k geändert wird, kann der Eingangsspannungsbereich von 20V bis 30V eingestellt werden. Daher kann diese Lösung in Niederspannungsbeleuchtung mit einer allgemeinen Betriebsspannung von 12V bis 24V verwendet werden.

 

★Betriebsanalyse

Startphase – TON

Zxsc310 schaltet Q1 ein, bis die Spannung seines iSense-Pins 19 mv (nominal) erreicht. Der von Q1 erreichte maximale Strom beträgt 19 mv / R1, der als Spitzenstrom iIPEAK bezeichnet wird. Angenommen, es gibt einen Spannungsabfall VF, wenn der Strom durch die LED fließt, und es wird auch einen Spannungsabfall V (L1) geben, wenn die verbleibende Batteriespannung durch L1 fließt. Diese Spannung kann den durch L1 fließenden Strom im Verhältnis D / dt = V (L1) / L1 langsam ansteigen lassen. Die Einheit von di / DR ist Ampere / Sekunde, die Einheit von V (L1) ist Volt und die Einheit von L1 ist Henry. Der Spannungsabfall über Q1 und R1 kann vernachlässigt werden. Q1 sollte einen relativ niedrigen RDS (im eingeschalteten Zustand) haben, während der Spannungsabfall von R1 normalerweise weniger als 19 mV beträgt, was die Schließgrenze von Q1 ist.

VIN = VF + V (L1)

TON = iPEAK x L1 / V (L1)

Da die Spannung von L1 aus der Durchlassspannung von VIN zur LED erhalten werden kann, können wir die Startzeit von ton berechnen. Daher ist bei dem gleichen Spitzenstrom ipeak und der gleichen Batterieeingangsspannung (VIN) die Tonne umso kleiner, je kleiner L1 ist. Wenn der Induktivitätsstrom langsam ipeak erreicht, fließt auch Strom durch die LED, so dass der Durchschnittswert des LED-Stroms der Durchschnittswert der Summe des Stroms in der Anstiegsperiode von ton und der Abfallperiode von TOFF ist.

Schließzeit – TOFF

Die im internen zxsc310 festgelegte TOFF-Periode beträgt nominell 1,7 µS. berechnet nach der Steigung des Stromdiagramms 1 (b), beträgt die Zeitgrenze 1,2 μS. um den Leitungsverlust und den Schaltverlust zu reduzieren, sollte TON nicht viel kleiner als TOFF sein. Es wird empfohlen, zxsc310 innerhalb von 200 kHz zu verwenden. Bei einem festen toff von 1,7 µs beträgt die Zeit von TOB (1,7 µs bis 5 µs) und die Gesamtzeit beträgt mindestens 3,3 µs. Dies ist jedoch keine absolute Grenze. Diese Elemente können mit dem 2- bis 3-fachen der oben genannten Frequenz arbeiten, aber unter solchen Bedingungen wird der Umwandlungswirkungsgrad verringert.

. Während der TOFF-Periode speichert der Induktor Energie. Abgesehen von einem kleinen Energieverlust an der Schottky-Diode liefert der Induktor den Rest der Energie an die LED. Die Energiespeicherformel des Induktors lautet wie folgt:

1/2 x L x IPEAK2

Wenn also die Eingangs- und Ausgangsspannungsdifferenz groß ist, wird mehr Energie von der Induktivität in eine LED umgewandelt, anstatt direkt aus der Stromversorgung. Da der durchschnittliche LED-Strom immer nahe bei ipeak / 2 liegt. Wenn die Induktivität und der Spitzenstrom ipeak auf 1,7 μs berechnet werden, wird die LED-Leistung nicht von der Versorgungsspannung beeinflusst.

 

Wenn die Versorgungsspannung ansteigt, nimmt TON ab, während die Leistung der LED unverändert bleibt. Die LED zieht Strom von 0 bis zur Spitze ipeak durch die Stromversorgung im Halbzyklus von TON.

Im Vergleich zum gesamten Zyklus hat ton bei höherer Versorgungsspannung einen niedrigeren Wert, so dass der durchschnittliche Versorgungsstrom bei höherer Versorgungsspannung einen Verlust aufweist. Wenn der gespeicherte Wirkungsgrad und die durch den Wirkungsgrad umgewandelte Spannung die Schottky-Diode in Durchlassrichtung passieren, zum Beispiel beträgt die LED-VF 6 V und die Schottky-Diode VF 0,3 V, dann beträgt der durch die Induktivität umgewandelte Energieverlust 5%. Dieses Verhältnis wird durch das Vorwärtsspannungsabfallverhältnis von Diode zu LED VF bestimmt. In der Halbwelle von Ton funktioniert die Diode nicht, da sie keinen Verlust verursacht. Der Prozentsatz des Gesamtenergieverlusts wird durch das Verhältnis von Tonnen zu TOFF bestimmt. Wenn die Versorgungsspannung niedrig ist, macht TON einen großen Anteil in einem Zyklus aus und Schottky-Dioden haben keinen Verlust. Wenn die LED-Spannung hoch ist (mehrere LEDs sind in Reihe geschaltet), ist der Durchlassspannungsabfall von Schottky auch niedriger als der einer hohen LED-Spannung, sodass der Verlust geringer ist.

Eigenschaften und Anwendung des LED-Treibers mit hoher Helligkeit max16820

★Merkmale von max16820

Max16820 ist ein Step-Down-Konstantstrom-LED-Treiber mit hoher Helligkeit (HB LED), der kostengünstige Lösungen für die Innen-/Außenbeleuchtung von Kraftfahrzeugen, Architektur- und Umgebungsbeleuchtung, LED-Lampen wie MR16 und andere LED-Beleuchtungsanwendungen bietet.

Der max16819 / max16820 arbeitet im Eingangsspannungsbereich von 4,5V bis 28V, mit einer Ausgangsleistung von mehr als 25W und einem 5V/10m On-Chip-Spannungsregler. Spezieller Steuereingang für die Helligkeitseinstellung, 20 kHz maximale Helligkeitseinstellungsfrequenz, Hysteresesteuerung, keine Kompensation, Schaltfrequenz bis zu 2 MHz, LED-Stromgenauigkeit ± 5%; einstellbare konstante LED-Leistung, Ausgangsstrom durch High-Side-Stromerkennungswiderstand geregelt, spezieller PWM-Eingang (DIM) kann eine breite Palette von Impulshelligkeitseinstellungen erreichen. Max16819 / max16820 können im Automobiltemperaturbereich von – 40 ℃ bis + 125 ℃ arbeiten und können ein 3 mm x 3 mm x 0,8 mm 6-Pin-TDFN-Gehäuse bereitstellen.

Der max16820 ist ideal für Anwendungen, die einen großen Eingangsspannungsbereich erfordern. Die High-Side-Stromerkennung und die integrierte Stromeinstellschaltung können die Anzahl externer Komponenten minimieren und einen LED-Strom mit einer Genauigkeit von ± 5 % liefern. Bei der Lastumschaltung und der PWM-Helligkeitsanpassung sorgt der Hysterese-Steuerungsalgorithmus für eine hervorragende Eingangsleistungsunterdrückung und eine schnelle Reaktion. Max16819 hat 30% Induktivitätswelligkeitsstrom, während max16820 10% Welligkeitsstrom hat. Diese Geräte können mit Schaltfrequenzen von bis zu 2 MHz betrieben werden, was den Einsatz kleiner Komponenten ermöglicht.

 

★Verwendung des max16820led-Treibers zum Aufbau einer Systemalternative zur Niedervolt-Halogenbeleuchtung

Im LED-Referenzdesign MR16 wählt Maxim die weiße 5-W-LED (WLED) von LedEngin, um die 1000-mA-Stromtreiberfähigkeit von max16820 zu demonstrieren. Die Komponenten der 5W MR16 LED-Treiberschaltung sind: D1 – D4 ist eine Gleichrichterdiode, ~ 1N4001，C1 und C2 sind 100 μf / 20V Tantalkondensator, ~ 220 μf / 25V Elektrolytkondensator; C4 ist 1 μf / 25V Keramikkondensator， R1 ist 0,2 Ω± 1% Messwiderstand， C3 ist 1 μf / 6,3V Keramikkondensator， Q1 ist MOSFET fdn359bn， D5 ist Freilauf fbr130， U1 ist max16820 Treiberschaltung und L1 ist 39 μ H / 1,2A Abwärtsinduktivität.

Die 5W MR16 LED-Treiberschaltung besteht aus einem max16820 LED-Treiber. Die LED ist 5W WLED von LedEngin. Max16820 wurde für LED-Treiberanwendungen entwickelt, insbesondere MR16 basierend auf LED. Es ist eine ideale Wahl für MR16 LED-Schaltungen. Der max16820 verwendet ein ultrakleines 6-Pin-tdfn-Gehäuse und arbeitet mit einer Eingangsspannung von 4,5 V bis 28 V. Es kann einen externen, kostenintensiven MOSFET ansteuern, um eine breite Palette von LED-Stromtreiberfähigkeiten bereitzustellen. Max16820 arbeitet im Automobiltemperaturbereich (– 40 ℃ bis + 125 ℃) und kann in der Hochtemperaturumgebung von MR16-Lampen sicher arbeiten. Darüber hinaus kann der max16820 auch eine Leistung von bis zu 25 W oder mehr bereitstellen, und seine Schaltfrequenz von 2 MHz (typisch) ermöglicht die Verwendung kleiner externer Induktivitäten und Kondensatoren, sodass die Ansteuerschaltung in den MR16-Lampen platziert werden kann.

5W High Brightness LED (HB LED) benötigt 1A Ansteuerstrom. Das Buck-LED-Treiberdesign kann 1 A DC-Ausgangsstrom bereitstellen. Der Treiber verwendet ein Hysterese-Steuerungsschema, um den Strom der Buck-Induktivität zu steuern und 1 A Strom für die LED bereitzustellen. Die Hysteresesteuerung von max16820 hilft beim Aufbau eines einfachen, hochzuverlässigen Treibers mit 5 % LED-Stromgenauigkeit.

Wenn ein DC-Filterkondensator von 200 μf verwendet wird, beträgt die Spannungswelligkeit des DC-Leistungsbusses 8,5 V. Der Hysterese-Steuerungsmodus basierend auf max16820 hat eine gute Regelrate der Stromversorgung. Da die Welligkeit der Eingangsbusspannung sehr klein ist, wird die Änderung des LED-Ausgangsstroms reduziert. Für 5 W ﹣ MR16 ﹣ LED-Treiber zeigen die Testergebnisse, dass die Welligkeit und Variation der AC-Eingangsspannung 8,5 V überschreiten wird, aber der LED-Ausgangsstrom bei 1 A immer noch stabil ist. Die Leiterplatte des MR16-Lampentreibers hat zwei Schichten. Alle Komponenten und zwei AC-Eingangsanschlusspads und zwei DC-Ausgangsanschlusspads (gekennzeichnet als LED + und LED –) sind in der obersten Schicht platziert.

Auf der PCB-Siebdruckschicht (obere und untere Schicht) des 5W ﹣ MR16 ﹣ LED-Lampentreibers sind die Anschlusspads LED + und LED – des DC-Ausgangs zu sehen.