正確選擇LED恒流源周邊元器件

在設(shè)計(jì)LED恒流源時為保持嚴(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)，電感值對頻率的影響?？梢钥闯?，輸入電壓對頻率的影響很大，電感值在輸入低電壓時對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，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，在輸出電壓的變化范圍內(nèi)，負(fù)載電流的波動明顯增大

　　LED的驅(qū)動電路產(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)動器的典型應(yīng)用中是不會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。但是當(dāng)驅(qū)動器進(jìn)行開關(guān)調(diào)節(jié)的時候，如果PWM信號的頻率正好落在200Hz到20kHz之間，白光LED驅(qū)動器周圍的電感和輸出電容就會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。所以設(shè)計(jì)時要避免使用20kHz以下低頻段。

　　我們都知道，一個低頻的開關(guān)信號作用于普通的繞線電感(wirewindingcoil)，會使得電感中的線圈之間互相產(chǎn)生機(jī)械振動，該機(jī)械振動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有噪聲；未屏蔽的電感在金屬外殼安裝時會發(fā)生線路震蕩頻率改變，從而產(chǎn)生噪聲，這時需要將電感屏蔽；另外，當(dāng)被屏蔽干擾信號的波長正好與金屬機(jī)殼的某個尺寸接近的時候，金屬機(jī)殼很容易會變成一個大諧振腔，即：電磁波會在金屬機(jī)殼內(nèi)來回反射，并會產(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度或長時間高溫溫度環(huán)境，SMT有時也會有影響，會使得電感感值發(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)，而對于電感額定電流較大時，電感量是否減少，減少到什么程度，會不會達(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。電容能在整個輸入電壓范圍內(nèi)減小頻率，一個小的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玫礁纳啤南旅鎴D片可以很容易看到，圖上存在一個拐點(diǎn)，再增加電容值，對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，是增加了輸出級所能儲存的能量，也就意味著能供應(yīng)電流的時間加長了。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，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。對于大多數(shù)高的電流設(shè)計(jì)，采用一個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1至2.2uF的輸出電容器。

　　輸入電容器的選擇：

　　一般在驅(qū)動IC輸入設(shè)置一顆電容，主要是解決線路開關(guān)頻率對供電部分的EMI問題。有時大家會誤認(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，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格低的Y5V電容器也會有很好的效果。一般恒流器件會有非常快的上升和下降時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，它必須具有一個足夠的額定紋波電流。通常紋波電流不會大于負(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線路最高輸出電壓脈沖值來確定，要大于這個值。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)占空比的一個函數(shù)，因此應(yīng)選擇一個正向電流IF=I*(1-D)的二極管。通常二極管在功率開關(guān)斷開時傳到電流占空比通常小于50%，選擇電流值與驅(qū)動電流相等即可。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值也會高些，功耗會大，價格也會高。相對耐壓大電流的型號Vf值會低些，成本也會稍有增加，沒有成本壓力可以考慮。