PCB设计中模拟电路和数字电路布线时的异同

PCB设计中模拟电路和数字电路布线时的异同

LED技术推动了照明领域的一场革命。结合小型、低功耗、高可靠性和低成本，使得照明可以在不可能用白炽灯或荧光灯技术的地方实施。因此，LED照明在办公室、家庭甚至在我们的车上激增。

目前固态照明方案的主要缺点不是LED本身，而是提供照明能量的电源。这些开关电源（SMPS）的预期寿命比LED短得多，这主要是因为它们所含的磁性元件和电解电容器的使用寿命。此外，含有风扇等有源冷却设备的开关电源尤其易受早期故障的影响。另一个缺点是SMPS通常体积庞大，是电磁干扰（EMI）的主要来源。考虑到它们的尺寸和通常有限的照明安装空间，它们不太可能与LED安装在相同的PCB上，因此需要互连和引线，这是另一个潜在的故障来源。

然而，电力技术和拓扑的最新进展包括交流直接驱动（DACD）电源方案的出现。这种新的方法完全无需传统的SMPS，在成本、体积、使用寿命和可靠性方面提供多种优势－然而，并不是所有的DACD方案都是相同的。

DACD拓扑

所有DACD方案的共同之处是输入整流桥，使用经典的4个二极管配置，将50／60 Hz输入交流波形校正为100／120 Hz半正弦波。峰值幅值从110 V交流输入的155 V左右变化到230 V交流输入的325 V，但原理保持不变。

用于LED驱动的DACD拓扑通常分为两种配置，每一种都各有优缺点。

驱动LED的好法子

图1：典型的DACD拓扑及其主要的特点

这两种方法都支持采用单板方案，而不是SMPS方案所需的双板方案。分流型DACD采用单片集成电路，降低了物料单（BoM）成本。它还具有易于扩展的优点，但散热性能相对较差。

相比之下，旁路类型倾向于使用多个集成电路，因而导致更高的BOM成本。而这种方法更适合于需要许多LED串的应用。与分流法相比，虽然扩展性有限，但电气性能更好，总谐波失真（THD）通常小于10％，而分流法为30％左右。

虽然与传统的开关电源法相比，这些DACD法是个显著进步，但它们并不是驱动基于LED的现代应用的完全理想的方案。目前市场上有许多基于IC的DACD方案，但这些方案在稳压、散热性能、耐浪涌性能、调光能力和成本方面都可改进。

驱动LED的好法子

图2：基本工作波形和电路图

图2显示了DACD方案的基本工作模式。当交流线路电压通过半正弦时，IC内的开关指示电流（ILEDn）照亮每个LED。但这种线性开关法有一个主要的缺点，即高THD。

最新的好方法

最新的DACD方案之一是安森美半导体的NCL30170。基于分流拓扑，它提供了前述的这种方法的所有优点，包括：是单个IC方案，具有较低的BoM成本和易于扩展功率。但这种新方案的一个独特特性是能够驱动多个外部MOSFET开关，从而支持连接多个LED串；NCL30170是市场上首个能够这样做的产品。因此，功率可从10W扩展到200 W，连接的LED串的总数和外部开关仅受最高功率水平的限制。

驱动LED的好法子

图3：NCL30170是单输出、多串、分流DACD方案

在大多数应用中，尽管电源电压波动，但LED亮度保持不变是很重要的。通常，DACD驱动器能够实现±10％的稳压－安森美半导体的新器件达到±1％，这是非常显著的提升，从而确保连接LED的持续光输出。

NCL30170用一种专有的方法来调节电流，而不是用于传统DACD方案的线性方法。电压触发点保持不变，但以这样一种方式调节电流使其不再是一个阶梯形状，从而产生平滑的正弦波电流（如图4右图所示），导致低于10％的极佳的THD水平。

驱动LED的好法子

Conventional Shunt Type：传统的分流类型

Stepped input current：阶梯式的输入电流

Sine input current：正弦输入电流

图4：专有的电流平滑／整形提供平滑的正弦波形

除了极佳的THD，NCL30170还提供领先行业的功率因数校正（PFC）性能，超过0．98。

有效调光的重要性

在许多应用中，能进行LED调光很重要，可通过脉宽调制（PWM）技术（通常称为切相）或模拟控制来实现。PWM提供宽范围的调光能力，但也有明显的缺点，包括闪烁，这已被证明会导致处于这种视线环境的人头痛。高电平的PWM调光也会导致室内应用中尤其不受欢迎的可闻噪声。

虽然许多DACD方案可调低到10％，NCL30170能够提供5％的模拟调光，从而满足具有挑战性的现代应用的需要。该器件在整个调光范围内保持稳压，从而确保即使在低功率下，从LED发出的光仍然保持不变。

对于使用TRIAC的切相调光，NCL30170强大的PWM性能确保基于它的照明方案非常适合于改装应用。

总结

LED照明在当今照明方案中占很大比例。由于现代应用的低功耗、低成本和小尺寸要求，这比例将增长；用更加灵活和通用的LED照明改装旧的白炽灯装置也将是未来增长的重要推动力。

直到最近，SMPS一直被用于为LED装置供电，但存在耐用性和使用寿命的问题，而且体积庞大，使在受限空间安装LED方案变得复杂和受限。