基于開關(guān)電流芯片MC331647的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　大功率白光LED是新一代半導(dǎo)體光源，屬于非線性負(fù)載。由于無法大范圍精確地描述其負(fù)載特性，因此通過電壓型驅(qū)動(dòng)器無法有效地控制LED的發(fā)光特性。當(dāng)負(fù)載電壓有微小波動(dòng)就可引起電流很大的變化，從而使亮度發(fā)生較大變化。如果負(fù)載電壓波動(dòng)過大，則可能將LED燒壞。LED負(fù)載電流與LED的發(fā)光亮度、色溫、效率、光通量以及使用壽命緊密相關(guān)。因此，超高亮度LED通常都采用恒流源驅(qū)動(dòng)。雖然大功率白光LED的發(fā)效率比較高，但總體效率不僅取決于LED本身，也與驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)，因此設(shè)計(jì)電流型開關(guān)轉(zhuǎn)換器是滿足LED應(yīng)用的高功率及高效率要求的理想驅(qū)動(dòng)方案。

　　2 LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)思想

　　由于該驅(qū)動(dòng)器主要用于汽車照明，其電源主要是蓄電池，因此需要一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器來準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED的恒定電流，進(jìn)而獲得LED光強(qiáng)的一致性和顏色的完整性。車載系統(tǒng)的LED照明工作方式變化范圍較大，故其驅(qū)動(dòng)器也應(yīng)適于不同的應(yīng)用需要。汽車電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓為12 V，電池電壓在電量耗光時(shí)可能降至8 V，而發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)交流發(fā)電機(jī)則可能將其電壓充至14 V。由于汽車電池電壓的變化范圍很寬，所要求的輸出電壓就可能高于或低于輸入電壓，故LED驅(qū)動(dòng)器需要采用升一降壓的電路結(jié)構(gòu)來適應(yīng)保持LED的恒流要求。

　　考慮LED驅(qū)動(dòng)器作為電流控制系統(tǒng)的本質(zhì)特點(diǎn)，選擇通用開關(guān)電源芯片MC33167為核心器件，它采用7.5～40 V低壓直流供電，芯片內(nèi)部開關(guān)管通過電流最大可達(dá)5 A，并且通過配置合適的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)升-降壓功能，因此該芯片完全可做為汽車用LED驅(qū)動(dòng)器的核心芯片。

　　3 開關(guān)電源核心芯片的分析研究

　　LED特種照明驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)電源芯片采用MC33167，該芯片可提供多種功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。如超過5 A的輸出開關(guān)電流，無需外接電阻即可提供5 V的輸出，內(nèi)部2%精度的基準(zhǔn)源，可提供欠電壓保護(hù)和內(nèi)部熱保護(hù)，各種保護(hù)模式可使電路工作在安全狀態(tài)下。在保護(hù)模式可將電源電流降至36μA，大大降低芯片的功耗。內(nèi)置72 kHz固定頻率的振蕩器，可使開關(guān)電源輸出較高頻率的PWM，因此在芯片外部使用較小的電感電容就可實(shí)現(xiàn)濾波作用，大大簡化了外部元件。

　　芯片5腳電位U5與輸出電位U2對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。芯片1腳電位U1變化時(shí)（U1與標(biāo)準(zhǔn)電壓5.05 V不相等時(shí)），U5則相應(yīng)成比例變化，U5與晶振產(chǎn)生的鋸齒波經(jīng)過PWM運(yùn)算放大器的比較，輸出高電平或低電平，然后經(jīng)過內(nèi)部邏輯電路運(yùn)算控制開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而控制U2。因此隨著U5的變化，輸出開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間也就不同，即U2的占當(dāng)比發(fā)生變化，從而控制輸出電壓的大小。當(dāng)U1降低時(shí)，U5升高，同時(shí)控制U2的占空比升高，平均值增加，所以輸入U(xiǎn)1與輸出U2成反比變化。因此在芯片外部增加負(fù)反饋電路就可以形成穩(wěn)定的電源。

　　4 LED驅(qū)動(dòng)器電路開發(fā)

　　4.1 從電壓源到電流源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　電壓源電路中，其輸出電壓必然為U1=5 V，即電源芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，否則電路無法穩(wěn)定。經(jīng)過實(shí)際電路的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示電路工作正常，可以獲得穩(wěn)定的輸出電壓Uo=5 V。由電壓源可進(jìn)一步改變芯片外部的反饋形式，使之成為電流反饋，從而設(shè)計(jì)電流源。

　　電流源電路如圖3所示，通過外部疊加電壓Uc來控制輸出電流。由疊加原理可知：

　　IL為負(fù)載電流，若取R4=R5，R6=R7，Uref=5 V，單片機(jī)輸出的控制電壓Uc為0～5 V，偏置電壓Up為5 V。當(dāng)Uc=0時(shí)，IL=0;當(dāng)Uc=5 V時(shí)，IL=1 A，采樣電阻Rc=0.25 Ω，可得：IL=0.2Uc。因此通過調(diào)整控制Uc的大小，可以線性控制輸出電流的值。

　　4.2 LED驅(qū)動(dòng)器的閉環(huán)穩(wěn)定性分析

　　由上述可知驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)，當(dāng)PWM輸出接LC濾波器時(shí)，可以得到其總體控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　綜合考慮LED驅(qū)動(dòng)器的用途，在設(shè)計(jì)時(shí)控制系統(tǒng)首要考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器主要用于汽車，外界干擾比較大，而且調(diào)光速度不會(huì)很快，因此系統(tǒng)帶寬不需要很大。取濾波電感200μH，電容20μF，此時(shí)濾波器諧振頻率ωn=15.8 krad·s-1，驅(qū)動(dòng)器開關(guān)頻率ω=452 krad·s-1，所以輸出紋波衰減約818倍，完全滿足濾波要求;實(shí)測(cè)電感電阻及電源芯片內(nèi)阻之和Rin=0.1Ω，負(fù)載電阻10Ω，阻尼系數(shù)ξ=0.4 73，此處選擇較小的ξ也有利于濾除紋波;電流采樣電阻0.1 Ω，滯后校正電路中R2=100 Ω，R3=10 kΩ，C3=1μF，兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率ω1=100 rad ·s-1，ω2=10 krad·s-1，因此有效地降低系統(tǒng)高頻增益，并且消除了ξ對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響;同時(shí)驅(qū)動(dòng)器PI控制器中Rf=2 000Ω，Cf=1μF，其零點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率ω0=500 rad·s-1，處于滯后校正極點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率ω1=100 rad·s-1與系統(tǒng)剪切頻率ωc=1150 rad·s-1之間，因此使整個(gè)系統(tǒng)幅頻特性以-20 dB/dec穿過0 dB線。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　濾波器內(nèi)阻Rin=0.1 Ω時(shí)，負(fù)載電阻R=10 Ω，L=190μH，C=20μF時(shí)系統(tǒng)開環(huán)波特圖如圖5所示，其中圖5a為系統(tǒng)不帶滯后校正環(huán)節(jié)時(shí)的波特圖，圖5b為滯后校正后的波特圖。由圖可知，經(jīng)過滯后校正系統(tǒng)變穩(wěn)定，且相角裕度比較大。

　　4.3 LED驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)電流源電路以開關(guān)電源芯片MC33167為核心，其工作原理圖如圖6所示。

　　首先考慮電壓源，通過電壓源的實(shí)驗(yàn)電路充分了解電源的工作原理。然后設(shè)計(jì)得出電壓源，通過電壓源的實(shí)驗(yàn)電路充分了解電源的工作原理。然后設(shè)計(jì)外部電流反饋環(huán)及外部電流控制電路。由于單片機(jī)的輸出電壓范圍為0～5 V，因此控制電路還應(yīng)包括控制電壓與單片機(jī)輸出電壓的匹配電路。驅(qū)動(dòng)器智能控制模塊電路以單片機(jī)PIC18F258為核心，它采用16位高性能RISC CPU，具有1536字節(jié)RAM，32 k FLASH，片內(nèi)含有A/D，EEPROM存儲(chǔ)器，具有PWM輸出功能，并集成了硬件實(shí)現(xiàn)的USART和CAN串行接口。單片機(jī)控制模塊電路其外圍配置有電源、復(fù)位、晶振，以及基于PWM信號(hào)的電壓輸出、485-Can通信接口收發(fā)器等電路。

　　4.4 測(cè)試結(jié)果分析

　　采樣電阻為0.25Ω，當(dāng)改變控制電壓時(shí)，輸出電流應(yīng)該相應(yīng)地線性變化，即，IL=0.2Uc。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的控制電壓與輸出電流的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如圖7所示。實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系為：IL=0.167Uc+0.043，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知實(shí)際的控制電壓與輸出電流對(duì)應(yīng)關(guān)系的趨勢(shì)基本相同?？紤]到電路中實(shí)際電路參數(shù)以及偏差電壓的誤差，因此該結(jié)果完全正常。

　　5 結(jié)論

　　給出所開發(fā)的基于開關(guān)電流芯片MC331647的LED驅(qū)動(dòng)器，成功實(shí)現(xiàn)供給的負(fù)載電壓可在較寬的范圍內(nèi)變化，并且能帶功率較大的負(fù)載，采用智能控制模塊，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地控制LED發(fā)光強(qiáng)度，測(cè)試出驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，具有在車載LED中推廣的價(jià)值。