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H桥为LED照明铺新路

2021-10-13 06:50:00      点击次数:
上一篇:一款基于无桥APFC电路的单周期控制方案与应用 贴片电感

H桥是一种以用户定义方式驱动直流电机的经典电路,如正/反方向或通过四个分立/集成开关或机电继电器的PWM辅助控制的RPM。

它广泛应用于机器与功率电子中。

本设计实例是该技术的一种全新的实现方法,能以全波限流模式,从交流电源直接驱动白光LED阵列,从而实现一种无闪烁、高能效的固态照明灯。

电路会在激励电压的正、负偏移期间,采用交替电开关工作方式,将激励电压的负半周和正半周内的LED激励电流控制并维持在一个恒定的水平。

这种方法可对交流电压做电流控制的整流,使之成为串联LED的直流供电电压,有干净几乎无纹波的电流,大大改进了功率因数。

 

原理见图1,晶体管Q1、Q3和Q5与二极管D4,还有晶体管Q2、Q4和Q6与二极管D3均配置为串联的压控电流开关,构成H桥的两个臂;二极管D1和D2构成桥的另外两个臂。

LED串连接在桥的中点之间,两个点分别叫VLED+和VLEDGND。

交流电通过一个限流PTC电阻R5、串联电容C4和C5(构成一只无极性电容CEFF),以及电感L1施加到电路上。

同样,主交流电的中性线通过电感L2连接到电路的大地。

在正半周内,交流电源总线相对大地为正,晶体管Q1通过电阻R1获得适当的基极偏置。

电流流经二极管D4、晶体管Q1,以及电阻R3,如箭头A1所示,然后流过由12只中功率LED(LED1~LED12)构成的LED串,通过二极管D2进入大地,如箭头A2所示。

同样,在负半周时,交流电源总线相对大地为负,晶体管Q2通过电阻R2获得基极偏置。

电流流经二极管D3、晶体管Q2,以及电阻R4,如箭头A3所示,然后流过LED串,通过二极管D1进入交流电源总线,如箭头A4所示。

这样,在一个完整周期内,电流以相同方向流过LED串,获得了一个全波整流桥的效果。

不过,电流ILED的幅度保持恒定,因为受到了作为压控电流源的相应开关的调节。

由于晶体管Q3和Q4的基射结分别连接在电流检测电阻R3和R4上,当R3和R4上的压降上升到Q3和Q4的基射电压以上时,两个晶体管导通。

在这个点,Q1和Q2的基极均被拉低,扰乱了在相应交流电源半周内通过它们的电流。

流过晶体管的电流以这种方式保持恒定,永远不会超过某个阈值,这个阈值通过选择R3和R4的值进行设置。

Q5和Q6将Q1和Q2的基极电流限制在一个安全值(大约为150μA),确保它们永远不会过驱。

当Q1和Q2各自基射电压超过了分别与R1和R2串联的R6和R8上的压降时,Q1和Q2基极电流的相当大部分通过Q5和Q6,被分流给R3和R4。

进入总线的交流电流幅度受到主频率下CEFF电抗(1/2πfCEFF)的限制,可以通过选择C4和C5而改变,两只电容构成一个无极性电容。

电路也可以由一个阻性电源驱动,方法是用一个50Ω~200Ω的合适大功率电阻代替CEFF。

这样有助于获得出色的功率因数,但付出的代价是限流电阻有非常大的功耗。

可以根据所需要恒流水平,适当选择R3和R4。

D5为LED串提供高反压保护,而R5限制了上电时的浪涌电流。

电感L1和L2与电容C1帮助尽量减少EMI/RFI,同时提高功率因数。

可以与交流电源并排插一个金属氧化物压敏变阻器,以保护电路不发生瞬变。

 

电路中的12只0.5W的LED在120mAdc(135mARMS)下工作,而相应的电流检测电阻R3和R4选为1Ω。

不过,LED的数量可以增加到18只,只要LED串上施加的电压超过单只LED正向电压之和(白光LED的正向电压在3.3V~4V范围内变化)。

LED上的电压是自限的(本例中,大约是42V),不需要任何额外的调节,因为当工作在正偏模式时,串联LED的行为就像大功率齐纳二极管。

电路在230V交流电源下消耗功率为11.5W,功率因数为0.93,LED上没有任何闪烁现象。

可以选择在VLED+和VLEDGND之间连接一只220μF的电容C2,进一步抑制纹波,见图2。

另外,可以用六个并联LED串取代现有灯串,每一串上有12只~18只标称20mA的高亮度LED。

晶体管Q1和Q2必须装有散热片,以避免热失控。

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