EC4211LED线性驱动IC免电源高压方案LED电源方案IC取代传统电源方案

EC4211 設計準則 E- CMOSApplication for LED 2012年 7月 30日 撰寫人: Vincent Rau PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 EC4211 設計準則設計準則 鍵入文件副標題 章節 : 1.EC4211 Linear LED Driver IC 介紹 . 1- 1EC4211功能特色. 1- 2封裝尺寸. 1- 3腳位名稱 . 1- 4線路架構 2EC4211 應用設計 . 2- 1完整的線路討論 2- 2隋著機構溫度調節的功能 RGAIN 2- 3過溫保護功能 2- 4 2- 5 2- 6 2- 7 高功因的特性 轉換效率 流明值 Lm 附加的解決方案 : 2- 7- 1突波吸引器( Varistor ) 2- 7- 2夜燈效應 2- 7- 3閃頻 2- 8LED 的搭配 3設計實例 3- 110W 燈炮 3- 2 燭光燈 3- 3 T5 tube lighting 4尺 18W 1 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1. EC4211 Linear LED Driver IC 介紹 這款 EC4211應用於 AC轉 DC高壓電源直接輸入且直接恆流輸出控制 LED的一款線性 LED功率 驅動器. 其線路結構簡單容易設計,在生產上更是簡易其總成本更是不在話下, 在安規的認證 下更是輕鬆容易,因它沒有 EMI/FCC兩者的問題,換句話說只要處理好機構上的高壓爬電距離和 IC本身的散熱更可. 1- 1EC4211 功能特色 1- 2 a. 應用於 120VAC或 230VAC 的輸入電壓 . b. 可調整性固定電流源 1mA 60mA 輸出電流, 最大輸出推動功率5W c. 可程受的端電壓能力, 額定電壓 1560VDC . d. 多段式過溫保護功能. ( TC VF + VDrop 其作動條件方能成立). 線性驅動 IC 在系統設計上的技巧, 線性驅動 IC 主要的工作原理,是將高於 LED VF 的 電壓全數吸收,只輸出相等於 LED VF 和所設定的電流使其恆流恆壓輸出於 LED 端.所 以在系統設計上對於 LED VF 的須求也同時被限定和要求. 2- 2隋機構溫度而調節的功能 RGAIN :EC4211 內置一個溫度感知元件,並偵測溫度達到 100(封裝表面溫度 90)時便對其輸出電流做微量遞減的動作,使其達成與機構所能 散熱的功率瓦數平衡點而停止. | E 4 計 6 1 / 1 / 2 1 0 2 則 準 設 1 1 2 4 C PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2- 3過溫保護 :當你發現LED 一亮一滅的閃爍著表示 EC4211的散熱能力相當的差且溫度 會高於 130,增加 EC4211 的散熱系統可以改善這樣的問題. 如果尚無法完全解決這樣的問題 你須查看 LED的 VF電壓點是否合乎要求,但且記不可使用三用表觀察,須用示波器看它,因示波 器表現的是真實值,三用表呈現的是平均值二者差異很大. 2- 4高功因的特性 :線性 EC4211 驅動 IC 因作用於 AC 上半波且 Vin 須大於 VF+VDROP 而使其有著高功因數的表現,然而其功因數皆可推高至 8794%之間. 2- 5轉換效率 :線性驅動 IC 在本質上是吸收掉多餘功效而成效於負載功率,故如果要 使其輸入功效達成最高效率,其負載功效必須相對的做好完善的搭配. 在實際理論上來 說輸入電壓和輸出電壓做比值就等於是實際推出的效率比,在此電流可忽略掉(因只一 串回路所以輸入等於輸出計,固不增加計算難度而忽略之). 現我們用一個實例來計算其真實效率(如下 圖) 我們可看上圖紅色區塊,這是 IC自我耗掉的功率,如果要算這塊面積功率我看也沒多少人有興 趣去計算,公式例出來昏了一堆人, 所以在這裡我教大家一種最簡單的方式, 利用三用表的 5 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 VDC 檔去看輸出入且只取其平均值來算那就簡單多了( 這只是用在功率量的算法,不代表 LED Vout VAC(V)Vin(V)VLED(V)EF(%)左表是 20W DOWN Lighting 在各電壓點 Vin 和 21019817890 22020918689 24022219286 25022919686 2- 6輸出電流設定 : 此功能由Pin REXT 功能腳位設定 . 按純 DC 值計算 ILED = 0.6/REXT , 使用 AC計算繁瑣誤差值又大,所以在此我們立了一個對表的方式約略的告訴各位電阻和電流 的關係,再由設計者因自身不同的產品定義另行微調 . ItemIAC inREXT 150mA7.5R 240mA9.4R 330mA14.4R 425mA17.8R 520mA22R 615mA26R 710mA30R 上表所用的儀器僅用三用表的IAC檔位看平均電流的概念去對應LED的真實驅動電流 . 我們再談到一點設計者較關切的產品對偏移電壓和總功量變化的問題. 我們知道這是一顆線 性 驅動 IC那它對變動電壓自然很敏感,有人質疑,當變動電壓大的時候這樣 LED 的負載是否有可 能電流過大 . | E 6 Vin 的 VF搭配哦).=EF VLED 兩點所量測出的電壓值 .我們換算後所知 200192174 道每點電壓所表現的效率值 . 6 1 / 1 / 2 1 0 2 則 準 計 設 1 1 2 4 C PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 在左圖我們說明了,變動電壓只對 ON的時間改變,對 LED 的驅動電流是無關的,但對其總功率來看它是隨變 動電壓而改變的. A.流明值 Lm : 再來我們再談一點讓人關心的光效. 如上圖,我們可以看出 EC4211在驅動 LED的作動行為是一連續式的開闢現象,它跟隨著進來的 上半波在切換工作狀態,如此我們可知道 LM值跟這樣的工作方式是有關的,通常我們會去了解 LED 本身的發光曲線來設計出對如此工作模式下的最好流明值,使其能補足 0ff time 這塊的工 作時區,所以這一點要設計者明白,縱使這樣的設計方式找出 LED最高的流明值,但流明值還是 會比 PWM的工作模式產出的流明值低些, 雖然效率比隔離式好的多但這樣工作模式流明值相對 會低些.而這樣的設計主要是去凸顯成品存在於高壽命和高穩定的電性,且生產簡單而推展的一 種結構設計. 2- 7附加的解決方案 : 2- 7- 1(A)突波吸引器( Varistor)TSA1: 電路在遭雷擊或在接通、斷開電感負載或大型負載 設備(如洗衣機,冷氣機)時常常會產生很高的操作過電壓，這種瞬時過電壓（或過電流）稱為 浪湧電壓（或浪湧電流） ：例如直流 6V繼電器線圈斷開時會出現 300V600V的浪湧電壓；接 通白熾燈時會出現 810倍額定電流的浪湧電流。在不同環境裡都會有不同的干擾現象,於此 我們為保系統的基本安全,在系統的輸入端加上一顆突波吸引器. 燈泡 2- 7- 2(B)夜燈效應 ( C1: X2 ) : 來自電源回路裡的漏電現象.解決方案,可在AC輸入端加 入此元件,可吸收掉 0.25mA 的漏電流.此種漏電回路主要存在於電源開關附加的夜間指示燈回 路設計.一般延長線開關指示燈迴路跟壁上電燈開關不一樣，壁上電燈開關為了簡化配線是開 關關閉時利用負載當回路來點亮指示燈，而延長線裡的電源開關有三隻腳，多了一隻腳用來接 中性線讓氖燈點亮，而且壁上電燈開關是OFF時亮指示燈，而延長線則相反是ON時亮指示 燈，所以以接線方式來說，壁上電燈開關指示燈是與負載串聯，而延長線指示燈則是與負載並 聯. 7 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 夜燈功能 目前僅台灣地傳出,且因此夜燈功能有向大地漏電因素故歐美地區已經改為螢光漆 . 此消除回路會供奉 0.2W左右功率. 2- 7- 3(C) 閃頻 (C2) : 高功率因數下的附加產物(負作用)。 為減小頻閃問題,可在 VIN 的 前端加一電容。 按照實驗數據,若 5W輸出功率,PF值 72%,所需的電容值是 2.2uF。且每增加 5W輸出功率,電容可追加約 2.2uF。如 10W= 4.7uF, 15W= 6.8uF, 20W = 10uF. (電容耐壓: 110VAC時,耐壓值在200V; 220VAC時,耐壓值在400V) T1 LED I T1 LED I 當然我們知道在系統上增加電解電容是一件很重要的設計問題,它有可能受溫度的影嚮而產生 成品的壽命問題。在此我們堅決的建議,當你無法接受這種閃頻效應而須要加入電容來減低閃 頻效應時,你可有二個做法, 其一將這電解電容避開高熱源(恆溫須65的高溫. 2- 8LED 的搭配 在線性架構設計裡最在乎的是LED的搭配,而現有各廠商提供線性 LED架構亦有各不盡相同. EC4211 對 LED的搭配只有一個規則, 110VAC 對應的是 LED VF=110V 5% , 220VAC對應的是 LED VF=220 5%. 當然這樣的搭配並不限定你是單顆 LED 或是多顆串接組合,甚至 3014這種低 功率 LED,只要總 VF 值在這個範圍內即可行 . 3. 設計實例 在此我們會提出多種產品的設計方式來供大家參考和討論 ,在以下的設計實例中,各位將可 發現這顆 EC4211 LED驅動器設計手法真的很簡單,而且可變化出多種產品的運用. 3- 110W 燈炮 ( ball Lighting ) : | E 8 6 1 / 1 / 2 1 0 2 則 準 計 設 1 1 2 4 C PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 LED & Diver BoardBall Lighting 燈板線路圖 電源板線路圖 3- 1- 1 設計敘述 : 本產品輸入電壓可分別為 110VAC 和 220VAC, 並由 2顆 EC4211驅動 6 顆1.7W LED 輸出總功 率量為 10W 的球炮燈.其PF = 92 , EF = 8590 . 9 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1. 110VAC 或 220VAC 輸入電壓共用板設計 . 在燈板上我們設計了 AB 連接點,可選擇使用於 110VAC 或220VAC的兩種輸入電壓. 且 Rext 電阻的設定也因輸入電壓的不同而不同,基本上 110VAC時 Rext = 7.5R. 而 220VAC時 Rext = 17.4R 2. LED 的串接 : 110VAC 2路 3串, VF = 114V . 驅動 IC 各推動 1路 3串 50mA LED. 220VAC 1路 6串, VF = 228V .驅動 IC 輸出並聯, 單路6 串,電流 50mA. 3. 電源板: 僅用於AC 轉換 DC電源和保護措施,運用元件只三到四顆 . 1. 保險絲 : 2A/125V 或 2A250V ,視地區運 用. 2. 突波吸收器 : 110VAC = 221K7D . 220VAC = 431K7D . Note:雷擊是大自然界現象，當雷擊中地面或障礙物時，瞬間的 突波電壓會藉由傳輸系統(如電力線/天線/網路)等進入電 源產品(Power supply) ，此異常能量容易造成產品內部的 元件損毀。另外，在現實生活中，電源開關切換與插頭 的插拔，也有可能出現類似的瞬間的突波電壓。 3. 夜燈效應消除功能 : C1 ( X2 0.1F / 275VAC ) 或等效電路 . 4. 閃頻 : 此元件將留代客戶決定 ,但我們還是在此略提一下.這是在 DC 電源端放置 一個電容(4.7uf/200V)讓電流相位延長,增加 LED ON 的時間, PF值將下降至 72 . 相對電流設定電阻會調整至 9.1R .此電容大小會改變其電阻設定阻值, 原因請看功 能敘述. | E 10 6 1 / 1 / 2 1 0 2 則 準 計 設 1 1 2 4 C PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3- 2 燭光燈 輸入電壓 = 120V / 50 Hz 輸入總功率= 4.2W , LED 負載功率 = 3.5W.PF = 92 , EF = 89 . 3- 1- 1 設計敘述 : 組成元件 : 1. 橋式整流 1A/ 800V . 2.保險絲1A/ 250V 3.突波吸收器 4.EC4211 LED 驅動 IC . 5.電阻 0603 20R 1%. 6.電阻 0603 7.5K 5% . 7.線材 . 200 26 AWG x 4. 8.LED VF=216 / 20mABlue die. 9.鋁基板 . v 線路圖 : 11 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3- 3 T5 tube lighting 4 尺 18W 設計規格 : 1. 輸入電壓 : 120V 和 230V 2. 輸入功率 : 18.7W 3. PF : 92 4.輸出功率 : 16.8W 3- 3- 2 線路結構 : 上圖的設計方式是運用 EC4211的 1+2方式設計,主要是在解決 T5狹窄的機構而設計的搭配變化, | E 12 6 1 / 1 / 2 1 0 2 則 準 計 設 1 1 2 4 C PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1. 2. 3. 120V / 230V共用板的設計方式,運用 LED的串並方法解決共用的方案. 全長 114 cm T5燈管,Driver EC4211 3顆,1側放 1顆另一側放2顆(並連使用),側邊暗點約1cm. LED 數量 210顆,單顆 LED通過電流量為25mA.U1推動 5.6W,U2U3並聯輸出推動 11.2W, Driver 總輸出功率 16.8W. Note : 上圖 PCB設計做法屬雕刻板,在安規和散熱的角度上我們必須找出合理的設計. 修正做法 : 1. 機構設計 :解決安規的機構設計討論. 圖一 Tube 5 linghting 截面圖是在 市面最常見的一種機構,通常所見的 設計方式,在中心鋁溝上置放 LED PCB,由側邊鋁槽產生的卡溝夾著 LED PCB.這樣的做法 LED 缺少了良好的 散熱途徑. 且不適合高壓佈線的規 則.( 圖 一 )( 圖 二 ) 圖二 本人大膽設計了另一款結構的改善. 主要在解決兩個問題, 一,增加 LED 的深度,減低暗點的產生. 二,圖三 修整 PCB 卡溝 讓其增加安全規範對爬線距離的要求. EC4211 和 LED的散熱 :一個散熱良好的 LED 照明可增加產品壽 命和穩定性,所以在此我們做了一些 PCB上的佈局技巧讓 EC4211 所產生的熱能快速的導引致散熱體, 如下圖說明. 運 用 雙 層PCB 做 貫 孔 將 EC4211 的熱向下導離 . (圖 三)增加隔離距離 13 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3