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高亮度LED驅(qū)動電路

作者: 時間:2011-03-13 來源:網(wǎng)絡 收藏

  前言

  效率高,可靠性好,是一種非常有前途的低能耗電源。由于led的正向電壓變動范圍大,V/I關系曲線陡峭,因此需要恒流驅(qū)動,不同的應用有各自的電源要求,如景觀照明常使用低壓交流電源,汽車用照明則是低壓直流電源,此外,高效還應能工作在較寬的輸入電壓范圍,來驅(qū)動一個或多個串接的。本文介紹用NCP/NCV3065設計的。器件適用于交直流電源,可配置成不同的電路結(jié)構(gòu),能提供多種輸出電流。NCP是為商用/工業(yè)溫度環(huán)境設計的,NCV則通過了汽車應用認證。

  降壓型

  圖1是直流供電驅(qū)動電路,圖2是交流供電驅(qū)動電路。LED亮度或光強是用流明來量度的,與流過LED的電流成正比,光效率是隨LED電流變化的,電路元件的選擇十分關鍵。

  電感·選擇電感在電感大小和峰值電流間折衷。在常規(guī)應用中,紋波電流在15%-100%間,降低紋波電流就要增加電感值,其優(yōu)點是使開關穩(wěn)壓器的輸出電流最大化。

  帶輸出電容工作,對常規(guī)的降壓型結(jié)構(gòu),在電感后面加一個輸出電容,它是與LED或LED串并聯(lián)的,用以減少紋波電流。使用輸出電容能減少電感值。此外,電路可工作在較低的頻率來提高效率,擴展輸出電壓范圍。輸出電容可根據(jù)電流紋波D來計算:

  COUT=ΔI/Δv×8×f

  =VIN×(1-D)×D/8×L×f2×ΔVOUT

  不帶輸出電容工作。恒流型降壓穩(wěn)壓器主要是控制流經(jīng)負載的電流,而不是控制負載兩端上的電壓。NCP3065的開關頻率在100KHz~300KHz之間,遠遠高于人眼能察覺的頻閃。這就是為放寬對紋波電流要求創(chuàng)造了條件,允許有較高的峰—峰值,即將NCP3065配置在連續(xù)通導的降壓式結(jié)構(gòu),消除了輸出電容。重要的設計參數(shù)是讓峰值電流保持在LED允許的最大電流以下,15%紋波值是最佳的折衷值,對常用的350mA、700mA與1,000mA LED電流值,分別選定紋波為±52.5mA、±105mA與±150mA。這時可選擇電感值為:

  L=(VIN-VOUT)×TON/ΔIMAX

  電流反饋環(huán)·為了讓LED處于恒流模式,穩(wěn)壓器的反饋是從器件COMP引腳處檢測電阻上電壓取得的。檢測電阻與COMP引腳間RC電路能改善變換器的瞬態(tài)響應,參考的反饋電壓選定為235mV,

  IOUT=VREF/Rsense=0.235V/Rsense(A)

  亮度調(diào)節(jié)。LED發(fā)射光強度與平均輸出電流成正比。對亮度調(diào)節(jié),普遍使用的是變占空比PWM信號來管理輸出電流值。NCP3065的COMP或IPK引腳用來提供亮度調(diào)節(jié)功能。在數(shù)字輸入模式,PWM輸入信號使穩(wěn)壓器斷續(xù)工作,從而減少了流過LED的平均電流。在模擬輸入模式,PWM輸入信號經(jīng)RC電路濾波,所產(chǎn)生的信號迭加在反饋電壓上來減少LED電流。RC元件值取決于PWM頻率。PWM頻率基本上在200Hz~1KHz之間,頻率低有利于降低EMI,但低于200Hz會使人眼感到頻閃。

  脈沖反饋電路·NCP3065是脈沖串方式工作的,輸出開關頻率與輸入和輸出條件有關。器件振蕩器產(chǎn)生一個由外部電容設定的恒頻信號,該信號由峰值電流比較器進行門控,當輸出電流高于閾值時,開關關閉;當?shù)陀陂撝禃r開關通導并門控振蕩器。這樣工作方式可能會在輸出波形上產(chǎn)生過沖。使用脈沖反饋電路可減少過沖,從而穩(wěn)定開關頻率,減少輸出紋波。脈沖反饋電路是在CT引腳與電感間加入一個電阻R8(參見圖1)實現(xiàn)的,一般在3KΩ~200KΩ之間。表1列出了典型應用與推薦的R8值。

  升壓型驅(qū)動電路

  升壓型變換器電路如圖3所示。當功率開關通導時,輸入端有電流流過電感,Iton上升。當開關截止時,電流Itoff流經(jīng)二極管D至電容與負載。同時,電感上電壓疊加在輸入電壓上,只要該電壓高于輸出電壓,電流就會源源不斷地流過二極管。如果流過電感的電流總是正的,變換器工作在連續(xù)通導模式(CCM)。在下一個開關周期,上述過程重復進行著。

  若變換器工作在CCP模式,輸出電壓為:

  VOUT=VIN×1/(1-D)

  占空比D為:

  D=ton/(ton+toFF)=ton/T

  輸入紋波電流定義為:

  ΔI=VIN×D/(f×L)

  負載電壓總是大于輸入電壓,此處

  Vload=Vsense+n×Vf

  上式中,Vf為LED正向壓降,Vsense為變換器參考電壓,n為串聯(lián)的LED個數(shù)。由于變換器要穩(wěn)定電流,使之與負載電壓的變動無關,在反饋電壓處放置了一個檢測電阻:

  Vsense=Icoad×Rsense

  Vsense相當于內(nèi)部參考電壓或反饋比較器閾值。

  NCP3065升壓變換器十分適合電路板空間有限、存在高壓,高溫環(huán)境的汽車和工業(yè)LED驅(qū)動器應用。該器件具有峰值電流保護和熱關閉功能。在恒流工作方式,發(fā)生LED開路故障時也需要保護的,不然輸出電流會不斷地對輸出電容充電,使電壓不斷地上升,此時,用一個外部穩(wěn)壓二極管來箝位輸出電壓。此外,NCP3065雖然已設計在40V工作,但存在感性負載的汽車應用中,最好再增加一個外部瞬態(tài)電壓保護電路。

  電路的主工作頻率由外部電容C4確定。Ton時間則由內(nèi)部反饋比較器、峰值電流比較器和主振蕩器控制。輸出電流由帶負反饋輸入的內(nèi)部反饋比較器確定。正輸入連接至0.235V內(nèi)部電壓基準管。反饋電阻設定了正常LED電流:

  IOUT=0.235/Rsense

  器件還備有第二個比較器,閾值電壓為200mV電阻R1用來限制最大電流值:

  Ipk=0.2/R1

  R1可用單個150mΩ電阻,或是3個1Ω電阻并聯(lián)組合。最大輸出電壓由外部穩(wěn)壓二極管D2箝位,通常設定在36V。

  結(jié)語

  LED正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈燈泡,不斷地在建筑、工業(yè)、民居、汽車的照明中擴大應用范圍。單片集成變換器已能很好地解決功率LED的恒流驅(qū)動問題。隨著技術的進展,還能進一步完善功能、提高效率、滿足不同應用環(huán)境所要求的特性。


圖1 直流供電降壓變換器


圖2 交流供電降壓變換器


圖3 升壓變換器


表1 典型應用推薦的電阻R8值



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