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如何設(shè)計線性和開關(guān)式LED電源的結(jié)合方案

作者: 時間:2013-10-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

為控制亮度,發(fā)光二極管(LED)需要恒定電流。把一只電阻器與一組LED串聯(lián)即可實現(xiàn)此點。由于一組LED的電壓和供電電壓都可能發(fā)生改變,因而必須使用專用的LED驅(qū)動保證電流的精準。以下兩種方案使用廣泛:恒流LED驅(qū)動器和步進降壓轉(zhuǎn)換器,它們均有各自的優(yōu)勢和劣勢。

  驅(qū)動是簡單的方案,所需元件極少且基本無噪音。但是,其耗散的熱量和供電電壓與LED正向電壓之差成正比。為防止過熱,其封裝可能需要在PCB上額外劃分一個散熱區(qū),這就增加了所需PCB的成本和數(shù)量,同時也增加了驅(qū)動IC因熱關(guān)斷,從而關(guān)閉LED的風(fēng)險。

  LM393比較器監(jiān)測LED串的低側(cè)電壓,并使能降壓穩(wěn)壓器(CAT4201)或線性穩(wěn)壓器(CAT4101)。

  圖1 LM393比較器監(jiān)測LED串的低側(cè)電壓,并使能降壓穩(wěn)壓器(CAT4201)或穩(wěn)壓器(CAT4101)。

  如果此驅(qū)動被置于LED旁,額外的熱量會使LED以更高的溫度運行,從而減少其壽命。降壓(或buck)轉(zhuǎn)換器效率高,產(chǎn)生的熱量很少,但是方案需要一只電感和一個肖特基二極管。這個方案也會產(chǎn)生噪音,尤其是當(dāng)供應(yīng)電壓快降至LED正向電壓時。在汽車應(yīng)用中,射頻干擾(RFI)是一個重要的考慮因素。建議在開頭式轉(zhuǎn)換器前面置放EMI/RFI濾波器,以阻止高頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的噪音返回電源,因為它有可能干擾到AM/FM波段收音機等設(shè)備。

  在降壓變換器性能不良,用盡余量時,線性驅(qū)動器的運行則是最佳的。為避免劣勢,發(fā)揮兩種方案的優(yōu)勢,可以采取將線性與降壓相結(jié)合的方案,在保證效率的同時將轉(zhuǎn)換噪音降至最低。

  理想情況下,電池電壓的波動幅度很大。如汽車應(yīng)用場景下(8v至17v),線性/降壓驅(qū)動器能提供所需的較低噪音運行環(huán)境和較高的效率。當(dāng)應(yīng)用電壓升至限值以上時,LED驅(qū)動器則轉(zhuǎn)換為降壓模式,從而避免線性驅(qū)動器過熱。

  本文中的電路可單獨選擇每個LED驅(qū)動器在開關(guān)模式和線性模式之間切換時的可調(diào)電壓閾值,并有額外遲滯以確保轉(zhuǎn)換順利進行。圖1顯示的原理圖采用了安森美半導(dǎo)體公司的CAT4201 350-mA降壓驅(qū)動器,以及CAT4101 1A恒流LED驅(qū)動器,圖中也顯示了邏輯比較器。較常見的降壓結(jié)構(gòu)有一個高側(cè)開關(guān)和一個低側(cè)二極管,CAT4201則不同,它互換了這些器件。

  與典型的降壓開關(guān)器相同,當(dāng)開關(guān)接通時,流經(jīng)感應(yīng)器L和LED的電流會增加,直至達到峰值,即:LED平均電流的兩倍。之后開關(guān)關(guān)閉。已充電的電感會迫使電流繼續(xù)流經(jīng)肖特基二極管D1及LED,直到其值變?yōu)榱?。而后該循環(huán)又開始重復(fù)。這一運行被稱為臨界導(dǎo)通模式。

  R1/R2電阻分壓器產(chǎn)生出相當(dāng)于負極電壓幾分之一的V+.如果比較器(LM393)的輸入電壓高于固定的基準電壓值2.5V,則輸出為高;OUT為低,禁用線性驅(qū)動器而使能降壓轉(zhuǎn)換器。如果V+低于基準電壓,則比較器輸出為低,使能線性驅(qū)動器而禁用降壓轉(zhuǎn)換器。反饋電阻器R5增加了0.6V的遲滯,即一旦負極電壓超過3.6V,降壓轉(zhuǎn)換器就會起動;當(dāng)負極電壓降至3V以下時,線性驅(qū)動器則會接手。注意,如果LM393的另一半沒有用于其它,更好的設(shè)計方法是將LM393上所有未用的輸入和輸出引線都接地。

  圖2顯示了單用降壓轉(zhuǎn)換器,以及線性/降壓驅(qū)動器合用時的LED電流調(diào)節(jié)情況。與單用降壓轉(zhuǎn)換器相比,線性/降壓驅(qū)動器可將LED電流調(diào)節(jié)擴展至低于8V的電源電壓,即使電池電壓繼續(xù)下降,它也能使LED保持點亮。電源電壓低于11V時,僅用降壓轉(zhuǎn)換器會損失其精度,并產(chǎn)生回到電源的更多開關(guān)紋波電流。EMI濾波器更難以抑制較低頻率下的紋波電流。另一方面,在相同的供電電壓范圍內(nèi),線性驅(qū)動器則提供了更高的調(diào)節(jié)和無噪音運行環(huán)境。

  盡管增加了元件數(shù),但對于要求低噪音性能與擴展電源區(qū)間的應(yīng)用,線性/降壓聯(lián)合方案還是有價值的??梢栽O(shè)置線性到降壓的過渡電壓值,以獲得最佳散熱性能。

  與僅用降壓轉(zhuǎn)換器相比,線性/降壓電流阱可將電流的調(diào)節(jié)范圍擴展至更低的電源電壓(8V以下),并降低低電量情況下的EMI.因此,LED在電池電壓低的情況下也可保持點亮。


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