正確選擇LED恒流源周邊元器件

在設(shè)計(jì)LED恒流源時(shí)為保持嚴(yán)格的滯環(huán)電流控制，電感必須足夠大，保證在HO，ON期間，能向負(fù)載供應(yīng)能量，避免負(fù)載電流顯著下降，導(dǎo)致平均電流跌到期望值以下。

　　首先，我們來看一下電感的影響，假設(shè)沒有輸出電容(COUT)的存在，這樣負(fù)載電流和電感電流完全一致，能更清楚地說明電感的影響。下圖給出了在輸入電壓的變化范圍內(nèi)，電感值對(duì)頻率的影響。可以看出，輸入電壓對(duì)頻率的影響很大，電感值在輸入低電壓時(shí)對(duì)降低頻率有很大影響。(注：不一定是和參考圖完全一樣，在此只是說明問題)

　　上圖是不同電感值下的頻率響應(yīng)。下圖說明了電感減小時(shí)，在輸入電壓的變化范圍內(nèi)，負(fù)載電流的變化明顯增大

　　下圖給出了頻率根據(jù)不同的輸出電壓和不同的電感值的變化曲線

　　下圖，說明了電感減小時(shí)，在輸出電壓的變化范圍內(nèi)，負(fù)載電流的波動(dòng)明顯增大

　　LED的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲(audiblenoise，或者microphonicnoise)。通常白光LED驅(qū)動(dòng)器都屬于開關(guān)電源器件(buck、boost、chargepump等)，其開關(guān)頻率都在1MHz左右，因此在驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用中是不會(huì)產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。但是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行開關(guān)調(diào)節(jié)的時(shí)候，如果PWM信號(hào)的頻率正好落在200Hz到20kHz之間，白光LED驅(qū)動(dòng)器周圍的電感和輸出電容就會(huì)產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。所以設(shè)計(jì)時(shí)要避免使用20kHz以下低頻段。

　　我們都知道，一個(gè)低頻的開關(guān)信號(hào)作用于普通的繞線電感(wirewindingcoil)，會(huì)使得電感中的線圈之間互相產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，該機(jī)械振動(dòng)的頻率正好落在上述頻率，電感發(fā)出的噪音就能夠被人耳聽見。電感產(chǎn)生了一部分噪聲，另一部分來自輸出電容。

　　選擇電感感值大小在參考設(shè)計(jì)范圍左右最多的是您的經(jīng)驗(yàn)值，合適的選擇感值主要需要考慮的條件是線路工作在合適的頻率范圍、合適的開關(guān)頻率減少M(fèi)OS開關(guān)次數(shù)，減少mos發(fā)熱量、避免與同PCB線路同頻干擾；選擇合適的電感內(nèi)阻，內(nèi)阻是電感發(fā)熱的主要因數(shù)，從而提高線路效率；選擇合適的電流值，有時(shí)體積和成本是制約主要因數(shù)，但是還是要大于峰值電流的2倍(通常在65%)，就算在板級(jí)空間十分珍貴的情況下也要保證30%預(yù)留空間余量，這樣可以有效的減小內(nèi)阻，減小發(fā)熱量；質(zhì)量不好、繞制松散電感器件也會(huì)有噪聲；未屏蔽的電感在金屬外殼安裝時(shí)會(huì)發(fā)生線路震蕩頻率改變，從而產(chǎn)生噪聲，這時(shí)需要將電感屏蔽；另外，當(dāng)被屏蔽干擾信號(hào)的波長(zhǎng)正好與金屬機(jī)殼的某個(gè)尺寸接近的時(shí)候，金屬機(jī)殼很容易會(huì)變成一個(gè)大諧振腔，即：電磁波會(huì)在金屬機(jī)殼內(nèi)來回反射，并會(huì)產(chǎn)生互相迭加。

　　為了獲得最佳的效率，應(yīng)選用鐵氧體磁芯電感器。應(yīng)選擇一個(gè)能夠在不引起飽和的情況下處理必須的峰值電流的電感器，確保該電感銅線低的DCR(銅線電阻)。以便減小I2R功耗。切記電感銅線絕緣層耐不了160度或長(zhǎng)時(shí)間高溫溫度環(huán)境，SMT有時(shí)也會(huì)有影響，會(huì)使得電感感值發(fā)生嚴(yán)重變化，要仔細(xì)了解供應(yīng)商產(chǎn)品溫度忍耐限度要求。

　　EMC電感選擇：

　　EMC電感用在輸入和輸出過濾器可以用來減少傳導(dǎo)干擾，用于低于EMC標(biāo)準(zhǔn)的限制設(shè)計(jì)。所有的電感器都需要鐵粉磁心而非鐵氧體。在它飽和前，可以處理更大電流，需要依據(jù)負(fù)載選擇合適的電流值。

　　制作濾波電感，選用何種磁心材料，除了必須注意防止磁心飽和問題外，還必須考慮到磁心的恒磁導(dǎo)特性。需要指出，有些設(shè)計(jì)人員往往只注意電感量的指標(biāo)，選擇磁導(dǎo)率高的材料，以減少線圈的匝數(shù)，而對(duì)于電感額定電流較大時(shí)，電感量是否減少，減少到什么程度，會(huì)不會(huì)達(dá)到飽和，考慮較小。這是應(yīng)該注意避免的。

　　由于鐵粉心具有飽和磁通密度高，恒磁導(dǎo)特性好，價(jià)格便宜，而得到了廣泛應(yīng)用。

　　輸出電容器件選擇：

　　輸出可同時(shí)使用輸出電容以達(dá)到目標(biāo)頻率和電流的精確控制。電容能在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)減小頻率，一個(gè)小的4.7μF的電容就能顯著減小頻率。電流的調(diào)整也能因?yàn)殡娙葜档脑黾佣玫礁纳?。從下面圖片可以很容易看到，圖上存在一個(gè)拐點(diǎn)，再增加電容值，對(duì)操作頻率和輸出電流的調(diào)整影響不大。

　　增加輸出電容(COUT)，從本質(zhì)上來說，是增加了輸出級(jí)所能儲(chǔ)存的能量，也就意味著能供應(yīng)電流的時(shí)間加長(zhǎng)了。因此通過減慢負(fù)載的di/dt瞬變，頻率顯著減小。有了輸出電容(COUT)之后，電感的電流將不再和負(fù)載上看到的電流保持一致。電感電流仍將是完美的三角形的形狀，負(fù)載電流有相同的趨勢(shì)，只不過所有尖銳的拐角都變得圓滑了，所有的峰值明顯減小，如下圖所示。

　　應(yīng)用設(shè)計(jì)在輸出端上采用低ESR(等效串聯(lián)電阻)陶瓷電容器，以最大限度的減小輸出波紋。采用X5R或X7R型材料電介質(zhì)，這是與其它電介質(zhì)相比，這些材料能在較寬的電壓和溫度范圍內(nèi)維持其容量不變。對(duì)于大多數(shù)高的電流設(shè)計(jì)，采用一個(gè)4.7至10uF輸出電容就足夠了。具有較低輸出電流的轉(zhuǎn)換器只需要采用一個(gè)1至2.2uF的輸出電容器。

　　輸入電容器的選擇：

　　一般在驅(qū)動(dòng)IC輸入設(shè)置一顆電容，主要是解決線路開關(guān)頻率對(duì)供電部分的EMI問題。有時(shí)大家會(huì)誤認(rèn)為是電源濾波而設(shè)置，事實(shí)并非這樣。因其整流二極管廣泛使用，價(jià)格變得非常低廉而穩(wěn)定，集成到IC內(nèi)部沒有成本優(yōu)勢(shì)，所以大多將整流濾波部分不予整體考慮。

　　如果采用電解電容提供了附加的旁路或輸入電源阻抗很低，則采用一顆較小的價(jià)格低的Y5V電容器也會(huì)有很好的效果。一般恒流器件會(huì)有非?？斓纳仙拖陆禃r(shí)間的脈沖從輸入電源吸收電流。輸入電容器未了減小輸入端的合成電壓紋波，并強(qiáng)制該開關(guān)電流進(jìn)入一個(gè)嚴(yán)密的本機(jī)環(huán)路，從而最大限度的減低EMI。輸入電容在開關(guān)頻率條件下必須具有低阻抗，以高效的完成這項(xiàng)工作，而且，它必須具有一個(gè)足夠的額定紋波電流。通常紋波電流不會(huì)大于負(fù)載電流的1/2倍?！　√沾呻娙萜餍〕叽绾偷妥杩?低的等效串聯(lián)電阻或ESR)特征而成為優(yōu)選方案。低的ESR產(chǎn)生了非常低的電壓紋波，與數(shù)值相同的其它電容器類型相比，陶瓷電容器能夠處理更大的波紋電流。應(yīng)選用X5R或X7R型介質(zhì)陶瓷電容器?？梢赃x用參考值多于1/3容值的電解電容器代替，但是體積和壽命等因數(shù)并不是很合適與LED匹配。鉭電容會(huì)因浪涌電流過大易出現(xiàn)故障，也不建議在此使用。

　　肖特基二極管選擇：

　　通常開關(guān)轉(zhuǎn)換型LED恒流驅(qū)動(dòng)IC在mos管關(guān)斷期間傳到電流，所選擇二極管反向耐壓要針對(duì)線路最高輸出電壓脈沖值來確定，要大于這個(gè)值。二極管的正向電流不必與開關(guān)電流限值相等。流經(jīng)二極管的平均電流是If是開關(guān)占空比的一個(gè)函數(shù)，因此應(yīng)選擇一個(gè)正向電流IF=I*(1-D)的二極管。通常二極管在功率開關(guān)斷開時(shí)傳到電流占空比通常小于50%，選擇電流值與驅(qū)動(dòng)電流相等即可。如果需要采用PWM調(diào)節(jié)灰度，則需要考慮PWM低電平期間來自輸出的二極管泄漏(有氣在熱點(diǎn)上)，這一點(diǎn)或許也很重要。

　　升壓型轉(zhuǎn)換器中的輸出二極管在開關(guān)管關(guān)斷期間流過電流，二極管要承受反向電壓等于穩(wěn)壓器輸出電壓。正常的工作電流等于負(fù)載電流，峰值電流等于電感峰值電流。

　　Id(二極管電流)=Il(電感電流)=(1+X/2)*Iout(最大電流)/1-Dmax

　　二極管消耗功率為：

　　Pd=Iout(最大)*Vd

　　保持較短的二極管引線長(zhǎng)度并遵循正確的開關(guān)節(jié)點(diǎn)布局，以免振鈴過大和功耗增大。耐壓不是越高越好，是要合適，高耐壓肖特基二極管Vf值也會(huì)高些，功耗會(huì)大，價(jià)格也會(huì)高。相對(duì)耐壓大電流的型號(hào)Vf值會(huì)低些，成本也會(huì)稍有增加，沒有成本壓力可以考慮。