作者:Nazzareno (Reno) Rossetti, Maxim Integrated首席作者
Yin Wu, Maxim Integrated汽车事业部业务经理

引言

得益于优异的照明特性和效率,高功率LED在汽车外部照明设计中越来越流行。支持LED的电子器件必须快速、高效、高精度,以控制照明强度、方向和聚焦。这些器件必须支持较宽的输入电压范围,且能够在汽车无线电的AM频段范围之外工作,以避免电磁干扰(EMI)。电子器件还必须支持LED矩阵中要求的复杂照明模式,以支持自适应前灯照明系统。本文回顾典型的LED电源管理方案,并介绍支持快速、高效、高精度LED照明方案的创新buck控制器IC。

“图1.
图1. LED汽车前灯

LED在汽车外部照明中的应用

由于相对于传统技术具有显著优势,LED正在汽车行业掀起一场风暴。LED前灯中的白光具有优异的清晰度,从而减少驾驶员反应时间。自适应前灯照明系统(AFS)由LED矩阵支持,能够产生快速、复杂的照明模式变化,提高驾驶员在不良照明条件下的能见度。夜间,AFS能够根据对向车辆的射束,自动调节照明模式,防止本方驶员被强光致盲。LED照明开启的上升时间比白炽灯光源快2倍,所以基于LED的制动灯点亮更快,提前警示驾驶员,提高道路安全。最后,与相当的白炽灯相比,LED功耗更低,所以在耗能方面拥有明显优势。LED控制器是负责操作LED的电子器件,在保持和增强LED固有的清晰度、速度和效率方面具有重要作用。

LED供电

LED在汽车领域应用广泛,被广泛用于从单颗LED到LED灯串和矩阵的各种配置之中。为了实现最优性能,高亮度(HB)LED要求恒流。电流与结温及颜色有关。所以HB LED必须由电流而非电压驱动。支持长灯串的电源可以是从12V汽车电池到高达60V升压转换器的任何电源。采用启/停技术的汽车在引擎启动时,电池压降比较大,造成电池电压下降到典型12V以下,甚至6V或更低。

调光

调光是许多汽车应用中普遍采用的功能,也是LED前灯的重要安全特性。照明灯从100%调暗至50%时,人眼几乎觉察不到。为保证清晰辨别,必须调暗至1%或更低。明白了这一点,就不会奇怪调光比为什么高达1000:1或更高。由于人眼在适当条件下能够感知到单个光子,所以实际上该功能没有限制。

为保证颜色,电流必须保持恒定,最佳的LED调光策略是PWM(脉宽调制),通过对电流进行时间上的分段式开关来调制光强,而不是更改幅值。为防止LED闪烁,PWM频率必须保持高于200Hz。

采用PWM调光时,限制LED最小“开/关”时间的因素是开关稳压器电感中电流上升/下降的时间。这可能造成数十微妙的响应时间,对于依赖于快速、复杂调光方法的LED前灯组来说,这一时间太慢了。此时实现调光的唯一方法是采用专用的MOSFET开关(图2中的SW1-K)对灯串中的每一颗LED进行独立开/关。对电流控制环路的挑战是能够足够快的从输出电压瞬态变化中恢复,这一瞬态变化由二极管投切引起。

LED控制器特性

为达到最优效果,LED控制器必须支持较宽的输入电压范围,且具有如上文所述的快速瞬态响应。为降低射频干扰以及满足EMI标准,要求较高、受控良好的开关频率,且位于AM频带范围之外。最后,高效率能够减少发热,提高LED照明系统的可靠性。

前灯系统

精良的前灯系统采用升压转换器作为前端,管理输入电压(抛负载或冷启动)和EMI辐射的变化。升压转换器提供稳定、足够高的输出电压(图2)。专用的降压转换器使用该稳定电压作为输入,允许每个降压转换器控制单一功能,例如远光、近光、雾灯、日间行车灯(DRL)、方向等,从而克服控制照明亮度和方向的复杂性。

“图2.
图2. 高级LED照明系统

该应用中,每个buck转换器的主控制环路设置其LED灯串中的电流,两个辅助环路实施过压和过流保护。

典型高功率Buck LED驱动器方案

典型的buck LED驱动器方案如图3所示。该方案使用p沟道、高边MOSFET,其RDSON比n沟道晶体管高;并采用非同步结构,肖特基二极管D用于电流回流。这两者都是效率不高的因素。

“图3.
图3. 典型非同步Buck LED驱动器

典型瞬态响应

图4所示为典型方案在瞬态响应方面的另一个缺点。本项测试的12颗LED组成的灯串中,上电二极管的数量从8个激增至12个。致使输出电压阶跃产生电流和电压波动,需要数十微妙的时间才能熄灭。高调光比PWM调光电路只在初始几微妙内将对该电流进行采样,此时幅值正在下降,造成调光亮度和颜色不正确。

“图4.
图4. 带有滞回Buck的典型瞬态响应

同步高功率Buck LED驱动器方案

理想的方案应满足宽输入电压范围、快速瞬态响应、高且控制良好的开关频率等要求,同时通过同步整流支持高效率。MAX20078 LED控制器支持这样的方案。(图5)。

“图5.
图5. 同步高功率Buck LED驱动器

MAX20078 LED控制器采用专有的平均电流模式控制方法,在调节电感电流的同时保持开关频率接近恒定。器件工作在4.5V至65V宽输入电压范围,开关频率高达1MHz,同时支持模拟和PWM调光功能。器件采用节省空间(3mm x 3mm)的16引脚TQFN封装(普通或SW)或16引脚TSSOP封装。

高效

图6所示为基于MAX20078的LED驱动器的效率与电源电压的关系。两个107mΩ同步整流MOSFET晶体管保证了整个宽输入电压范围内都具有高效率。

“图6.MAX20078方案效率与电源电压的关系”
图6.MAX20078方案效率与电源电压的关系

高精度光强控制

与图4所示的例子相比,MAX20078的专有架构提供几乎无误差的瞬态响应。图7中,二极管的数量从8个增加到12个,输出电压或电流未发生任何明显波动。

“图7.MAX20078瞬态响应”
图7.MAX20078瞬态响应

高工作频率

MAX20078的导通时间可编程,开关频率范围为100kHz至高达1MHz。器件的导通时间与输入电压和输出电压成比例,这意味着开关频率几乎是恒定的。MAX20078具有较高且控制良好的开关频率,且在AM频带范围之外,很容易设置。在降低射频干扰的同时,扩频特性满足EMI标准。

总结

我们回顾了复杂LED照明系统供电中存在的诸多挑战,以及最优化LED系统性能的要求。我们介绍了MAX20078如何通过创新的LED控制器架构来克服这些挑战,提供高精度平均电流控制、AM频带范围之外的高工作频率、支持高调光精度的良好瞬态响应,以及高效率,最大程度降低功耗。这些特性支持优异的汽车外部照明,且效率更高,支持复杂的照明模式和更高精度的照明亮度、方向和聚焦控制。

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五、LED日光灯电源设计心得

非隔离型降压式电源设计方法概论

非隔离降压型电源是现在普遍使用的电源结构,几乎占了日光灯电源百分之九十以上。很多人都以为非隔离电源只有降压型一种,每每一说到不隔离,就想到降压型,就想到说对灯不安全(指电源损坏)。其实降压型不只是一种,还有两种基本结构,即升压,和升降压,即BOOST AND BUCK-BOOST,后两种电源即使损坏。不会影响到LED的好处。降压式电源也有其好处,它适合用于220,但不适用于110,因为110V本来电压就低,一降就更低了,那样输出的电流大,电压低,效率做不太高。 降压式220V交流,整流滤波后约三百伏,经过降压电路,一般将电压降到直流150V左右,这样即可实现高压小电流输出,效率可以做得较高。一般用MOS 做开关管,做这种规格的电源,我的经验是,可以做到百分之九十那样差不多,再往上也困难。原因很简单,芯片一般自损会有0.5W到1W,而日光灯管电源不过就是10W左右。所以不可能再往上走。现在电源效率这个东西很虚,很多人都是吹,实际根本达不到。

常见有些人说什么3W的电源效率做到百分之八十五了,而且还是隔离型的。告诉大家,即便是跳频模式的,空载功耗最小,也要0.3W,还什么输出3W低压,能到百分之八十五,其实有百分之七十算很好了,反正现在很多人吹牛不打草稿,可以忽悠住外行,不过现在做LED的懂电源的也不多。

我说过,要效率高,首先就要做非隔离的,然后输出规格还要高压小电流,可以省去功率元件的导通损耗,所以象这种LED电源的主要损耗,一就是芯片自有损耗,这个损耗一般有零点几W到一W的样子,还有一个就是开关损耗了,用MOS做开关管可以显著减小这个损耗,用三极管开关损耗就大很多。所以尽量不要用三极管。还有就是做小电源,最好不要太省,不要用RCC,因为RCC电路一般的厂家根本做不好质量,其实现在芯片也便宜,普通的开关电源芯片,集成MOS管的,最多不过两元钱,没必要省那么一点点,RCC只省点材料费,实际上加工返修等费用更高,到头到反而得不偿失的那样。

降压式电源的基本结构就是将电感和负载串入300V高压中,开关管开关的时候,负载即实现了低于300V的电压,具体的电路很多,网上也很多,我也不画图再说了。现在9910,还有一般的市场上的恒流IC基本都是用这种电路来实现的。但这种电路就是开关管击穿的时候,整个LED灯板就玩完,这应该算是最不好的地方了。因为当开关管击穿的时候,整个300V的电压就加在灯板上,本来灯板只能承受一百多伏电压,现在成了三百伏了,这种情况一发生。LED肯定要烧掉。所以很多人说非隔离的不安全,其实就是说降压的,只是因为一般非隔离的绝大多数是降压的,所以认为非隔离的损坏一定要坏 LED。其实另外两种基本的非隔离结构,电源损坏,不会影响LED的。

降压式电源要设计成高压小电流,效率才能高,细说一下,为什么?因为高压小电流,可以让开关管电流的脉宽大一些,这样峰值电流就小一些,还有就是,对电感的损耗也小一些,通过电路结构就可以知道,电路不方便画,具体也难以再叙述下去了。就随便总结一下,降压电源的好处是,适合于220高压输入使用,以使得功率器件承受的电压应力小,适合做大电流输出,比如做100MA电流,比后两种方式来的轻松,效率要高。效率算比较高的,对电感的损耗较小,但对开关管损耗大一些,因为所有经过负载的功率必须要经过开关管传输,但输出的功率,只有一部分经过电感,如300V输入,120V输出的降压型电源,只有 180V的部分要经过电感,120V的部分是直接导通进入负载的,所以说对电感损耗比较小,但输出的功率,全部要经过开关管转化。

分解两种恒流控制方式

下面要说的是,两种恒流控制模式的开关电源,从而产生两种做法。这两种做法,无论是原理,还是器件应用,还是性能差别,相当都较大。

首先说原理。第一种以现在恒流型LED专用IC为代表,主要如9910系列,AMC7150,凡是现在打LED恒流驱动IC的牌子基本都是这种,且叫他恒流IC型的吧。但我认为这种所谓恒流IC做恒流,效果却不怎么好。其控制原理相对来说较简单,就是在电源工作的原边回路,设定一个电流阀值,当原边MOS导通,此时电感的电流是线性上升的,当上升到一定值的时候,达到这个阀值,就关断电流,下一周期再由触发电路触发导通。其实此种恒流应该是一种限流,我们知道,当电感量不同的时候,原边电流的形状是不同的,虽然有相同的峰值,但电流平均值不同。因此,象这种电源一般就是批量生产时,恒流大小的一致性不太好控制。还有就是此种电源有一个特点,一般是输出电流是梯形的,即波动式电流,输出一般是不用电解平滑的,这也是一个问题,如果电流峰值过大,会对LED产生影响。如果电源的输出级没有并电解来平滑电流的那种电源,基本上都属此类。即判断是否是这种控制方式,就看其输出有没有并上电解滤波了。这种恒流我原来一直叫其为假恒流,因为其本质就是一种限流,并不是经过运放比较,而得到的恒流值。

第二种恒流方式,应该可以叫做开关电源式的。这种控制方式和开关电源的恒压控制方式相似。大家都知道用TL431做恒压吧,因为其内部有一个2.5伏的基准,然后用电阻分压方式。当输出电压高一点的时候,或低一点的时候,就产生一个比较电压,经过放大,去控制PWM信号,所以此种控制方式可以很精确的控制电压。这种控制方式,需要一个基准,还需要一只运放,如果基准够准,运放放大倍数够大,那么就定的很准。同样的,做恒流,就是需要一个恒流基准,一个运放,用电阻过流检测,作为信号,然后用这个信号放大,去控制PWM,可惜现在就是不太好找到很准的基准信号,常用的有三极管,这个做基准温漂大,还有就是可以拿二极管约1V的导通值做基准,这样的也可以,可都不高,最好的是用运放加TL431当基准,但电路复杂。但这样做的恒流电源,恒流精确度还是好控制的多。而这种模式控制的恒流,其输出一定得加电解滤波,所以输出电源是平滑直流,不是脉动的,脉动的话就没法取样了。所以要判定是哪种只要看其输出是否有电解就行了。

两种恒流控制模式决定了使用两类不同的器件,一是从而决定了两种电路器件使用不同,性能的不同,成本亦不同。以9910系列为代表的恒流型控制IC 做的LED电源,实际是限流,控制较简单,严格的说起来,其不属于开关电源控制的主流模式,开关电源控制的主流模式是一定要有基准和运放的。但这种IC出来就只能用于LED,很难用于其它的东西,只是因为LED对纹波要求极低。但因为是只用于LED,所以现在价格较高。基本就是使用9910加MOS管制作,输出无电解,一般我看很多人就是用工字电感做功率转换电感的。这种电源,一般厂家的芯片资料上有出图,基本都是降压式。我也不多说了,精于此道的人比我多的多。

二是以我为代表的,即是开关电源控制模式的恒流驱动器。这种,就是以普通的开关电源芯片为核心转换器件,这种芯片很多,如PI的TNY系列,TOP系列,ST的VIPER12,VIPER22,仙童的 FSD200等,甚至只用三极管或是MOS管的RCC等,都可以做。好处是成本低,可靠性也不错。因为普通的开关电源芯片不但价格好,而且都是经过大量使用的经典产品。象这种IC其实一般集成了MOS管,比9910外加MOS方便,但控制方式复杂一些,需要外加恒流控制器件,可以用三极管,或是运放。磁性元件可以用工字电感,亦可用带气隙的高频变压器。

关于此种电源的要求和电路结构的问题

我的看法是,因为电源要内置在灯里,而发热是LED光衰最大的杀手,所以发热一定要小,就是效率一定得高。当然得有高效率的电源。对于T8一米二长的那种灯,最好是不要用一支电源,而是用二支,两端各一只,将热量分散。从而不使热量集中在一个地方。

电源的效率主要取决于电路的结构和所用的器件。先说电路结构,有些人还说要隔离电源,我想绝对是没必要的,因为这种东西本来就是置于灯体内部,人根本摸不到。没必要隔离,因为隔离电源的效率比不隔离效率要低,第二是,最好输出要高电压小电流,这样的电源才能把效率做高。现在普遍用到的是,BUCK电路,即降压式电路。最好是把输出电压做到一百伏以上,电流定在100MA上那样,如驱动一百二十只,最好是三串,每串四十只,电压就是一百三十伏,电流 60MA。

这种电源用的很多,本人只是认为有一点不好,如果开关管失控通咱,LED会玩完。现在LED这么贵。我比较看好升压式电路,此种电路的好处,我反复的说过,一是效率较降压式的高些,二是电源坏了,LED灯不会坏。这样能确保万无一失,如果烧坏一个电源,只是损失几块钱,烧一个LED日光灯,就会赔掉上百元的成本。所以我一直首推还是升压式的电源。

还有就是,升压式电路,很容易把PF值作高,降压式的就麻烦一些。我绝对升压式电路用于LED日光灯的好处还是有压倒性的强于降压式的。只是有一年缺点,就是在220V市电输入情况下,负载范围比较窄,一般只能适用于100至140个一串或两串LED,对于少于此数的,或是夹在中间的,却用起来不方便。不过现在做LED日光灯的,一般60CM长那种都是用100至140,一米二的那种,一般就是用二百到二百六那样,使用起来还是可以的。所以现在LED日光灯一般使用的是不隔离降压电路,还有不隔离升压电路。

我是做开关电源的,原来做过适配器,充电器,铁壳开关电源。后来做LED电源,最初是做些1W,3W的大功率LED驱动器,但后来做的少了。原因很简单,没有市场。我发现大功率LED恒流电源,只要其功率超过5W,基本就没有市场,只能是打样。因为LED太贵。这也算给同行做电源的朋友提个醒,这是我的经验之谈。

不知有多少人失足于大功率LED,大功率LED雷声大,雨点小,害的不少在这一块痛失老本。还是小功率LED市场好一点。不过也不行,现在小功率LED驱动器,被阻容降压电源占去大部分江山。恒流形的开关电源驱动小功率LED,好是好,就是很多人接受不了其成本。

我爱用变压器,因为电感的成本虽然很低,但我觉得其带负载能力不行,再者调节感量也不灵活。所以我觉得比较好的器件选择是,普通的集成MOS的开关电源芯片加高频变压器,从性能,成本上,都是最理想的选择,不需要去用什么恒流IC,那种东西,又不好用,又贵。

可靠性,恒流精度都很好,价格才五元钱,但不少人还是嫌贵,因为他们拿它和一元钱的阻容降压电源去比较,当然这二者根本没法比。我做的开关电源里面,有一个集成MOS的开关电源芯片,还有一个变压器。这二者的成本就是放在那里的,当然性能也是放在那里的。但我相信,最终小功率 LED恒流驱动器会将阻容降压电源淘汰掉。因为消费者会慢慢趋于理性,一个阻容降压电源做出来的灯具,几乎是没有什么实用价值的,只能当个摆设和玩具,如果LED真的进入了通用照明领域,阻容降压电源根本无法胜任。我可以料到将来的情况会是,随着LED性能的提高,价格的降低,电源成本也将会成为LED灯具成本的相当重要的一部分。真正的灯具,阻容降压根本不能胜任。阻容降压电源大行其道,只是一个过渡,最终还是恒流型电源为正宗。

我目前还是看好小功率的LED灯具。小功率LED灯,目前主要是光衰太大,价格也不够理想。但现在用于普通照明还是比大功率有优势。我认为小功率LED灯具进入通用照明领域,和节能灯一较高下,会是五年之内的事。而大功率LED进入通用照明,则肯定是五年以外的事。所以现在我专注于小功率LED的研发和制作。我注意到现在小功率LED应用于通用照明的灯具主要有LED台灯,LED蜂窝灯,还有LED日光灯。尤其是LED日光灯,从07年下半年开始,很多人开始研发,可以说热的不得了。基本上现在找我的人里十个有八个都是做这个的,所以我也做就开始做LED日光灯的电源,做了一段时间,所以在此说一下这种电源的研发和制作的大致方法和原则。以上算是个人所体会到的吧。

最后说一下,区别这两种电源,一个最重要的方法,就是看其输出是否有电解电容作滤波

关于供电问题——不管是做限流型恒流控制的电源,还是运放控制的恒流电源,都要解决供电问题。即开关电源芯片工作 的时候是需要一个相对稳定的直流电压为其芯片供电的,芯片的工作电流从一个MA到几个MA不等。有一种象FSD200,NCP1012,和HV9910,此种芯片是高压自馈电的,用起来是方便,但高压馈电,造成IC热量的上升,因为IC要承受约300V的直流电,只要稍有一点电流,就算一个MA,也有零点三瓦的损坏耗了。一般LED电源不过十瓦左右,损失零点几瓦以下就可以将电源的效率拉下几个点。还有就是典型象QX9910。,用电阻下拉取电,这样,损耗就在电阻上,大约也得损失它零点几瓦吧。还有就是磁耦合,就是用变压器,在主功率线圈上加一个绕组,就象反激电源的辅助绕组一样,这样可以避免损掉这零点几瓦的功率。这也是我为什么不隔离电源还要用变压器的原因之一,就是为了避免损失那零点几瓦的功率,将效率提几个点。

对高PF LED日光灯电源,大电流的LED日光灯电源的看法

个人认为这些做法有很多时候实在是舍本逐末而已。现在先请问一下LED相对于传统灯具的优势在哪,第一,节能,第二长寿,然后是不怕开关,对吧。但是现在使用的高PF的方法,均是使用无源填谷PF电路,由原来的驱动方式,即48串,6并改为,24串12并,这样的话,在220V情况下,效率会降下五个百分点左右,于是LED日光灯电源,发热量更高了,灯珠也会受到一点影响。

还有一个问题,就是,24串12并的做法,会让LED日光灯灯珠的布线变的很难受,不好布线了。我看,最好的方式还是48串一串方式好,主要是效率高,发热小,而且布线容易,不复杂。

更有甚者,现在还有人提出什么24并,12串,这种方式只适合用于隔离电源,不隔离电源根本不适用。更有些不懂电源常识的人觉得自己非隔离电源做到恒流600MA输出就好牛X了,其实他都没有自己仔细的放在灯管里试过,象这种不热爆了才怪。

所以说,现在搞什么低压大电流做LED日光灯电源,实是舍本求末的做法。

关于外形

现在LED日光灯电源,做灯的厂家普遍要求放在灯管内,如放T8灯管内。很少一部分外置。不知道为什么都要这样。其实内置电源又难做,性能也不好。但不知道为什么还有这么多人这样要求。可能都是随风倒吧。外置电源应该说是更科学,更方便才对。但我也不得不随风倒,客户要什么,我就做什么。但做内置电源,有相当难度哦。因为外置的电源,形状基本没有要求,想做多大做多大,想做成什么形状也没关系。内置电源,只能做成两种,一种是用的最多的,就是说放在灯板下面,上面放灯板,下面是电源,这样就要求电源做的很薄,不然装不进。而且这样只能把元件倒下,电源上的线路也只有加长。我认为这样不是个好办法。不过大家普遍喜欢这样搞。我就搞。还有就是用的少一些,放两端的,即放在灯管两头,这样好做些,成本也低些。我也有做过,基本就是这两种内置形状了。

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四、LED与LED驱动电源的匹配

我们已经很清楚的知道LED驱动电源只有两种方式:

恒流式:电流不变电压在一定范围内变化(随负载变化)

恒压式:电压不变电流在一定范围内变化(随负载变化)

而LED灯配合的方式有三种:串联式, 并联式,串并混联式。

串联式:

要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时,分配在不同的LED两端电压不同,通过每颗LED的电流相同,LED的亮度一致。

当某一颗LED品质不良短路时,如果采用稳压式驱动,由于驱动器输出电压不变,那么分配在剩余的LED两端电压将升高,驱动器输 出电流将增大,导致容易损坏余下所有LED。如采用恒流式LED驱动,当某一颗LED品质不良短路时,由于驱动器输出电流保持不变,不影响余下所有LED 正常工作。当某一颗LED品质不良断开后,串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个齐纳管,当然齐纳管的导通电压需要比LED的导通电压高,否则LED就不亮了。

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并联式:

要求LED驱动器输出较大的电流,负载电压较低。分配在所有LED两端电压相同,当LED的一致性差别较大时,而通过每颗LED的电流不一致,LED的亮度也不同。可挑选一致性较好的LED,适合用于电源电压较低的产品。

当某一个颗LED品质不良断开时,如果采用恒压式LED驱动,驱动器输出电流将减小,而不影响余下所有LED正常工作。如果是采用 恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED电流将增大,导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED,当断开某一颗LED 时,分配在余下LED电流不大,不至于影响余下LED正常工作。所以功率型LED做并联负载时,不宜选用恒流式驱动器。当某一颗LED品质不良短路时,那么所有的LED将不亮,但如果并联LED数量较多,通过短路的LED电流较大,足以将短路的LED烧成断路。

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串并混联方式

在需要使用比较多LED的产品中,如果将所有LED串联,将需要LED驱动器输出较高的电压。如果将所有LED并联,则需要LED驱动器输出较大的电流。 将所有LED串联或并联,不但限制着LED的使用量,而且并联LED负载电流较大,驱动器的成本也会大增。解决办法是采用混联方式。串并联的LED数量平均分配,分配在一串LED上的电压相同,通过同一串每颗LED上的电流也基本相同,LED亮度一致。同时通过每串LED的电流也相近。

当某一串联LED上有一颗品质不良短路时,不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动,这串LED相当于少了一颗LED,通过这串LED的电流将大增,很容易就会 损坏这串LED。大电流通过损坏的这串LED后,由于通过的电流较大,多表现为断路。断开一串LED后,如果采用恒压式驱动,驱动器输出电流将减小,而不 影响余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED电流将增大,导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED,当断开某一颗LED时,分配在余下LED电流不大,不至于影响余下LED正常工作。

混联方式还有另一种接法,即是将LED平均分配后,分组并联,再将每组串联一起。

当有一颗LED品质不良短路时,不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动,并联在这一路的LED将全部不亮,如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,除了并联在短路LED的这一并联支路外,其余的LED正常工作。假设并联的LED数量较多,驱动器的驱动电流较大,通过这颗短路的LED电流将增大,大电流通过这颗短路的LED后,很容易就变成断路。由于并联的LED较多,断开一颗LED的这一并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,哪么 整个LED灯,仅有一颗LED不亮。

如果采用恒压式驱动,LED品质不良短路瞬间,负载相当少并联一路LED,加在其余LED上的电压增高,驱动器输出电流将大增,极有可能立刻损坏所有 LED,幸运的话,只将这颗短路的LED烧成断路,驱动器输出电流将恢复正常,由于并联的LED较多,断开一颗LED的这一并联支路,平均分配电流不大, 依然可以正常工作,哪么整个LED灯,也仅有一颗LED不亮.

通过对以上分析可知,驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的,恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的,同样的,恒压式LED驱动器不适合选用串联负载。

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工程中的简易计算方法

例:某电源额定输出功率为5W电源,输出电压12V ,白光LED额定正向电压3.3V,耗散功率为65mW,可配置多少个LED?

(1)计算每条支路的LED个数: 3.3V × 3 =9.9V

65mW ÷3.3V =20mA (12V - 9.9V)÷ 20mA = 105Ω

(2)计算并联支路数 :5W ÷ (65mW × 3 + 20mA × 20mA × 105Ω ) = 21

(3)总共可以接多少个LED:21 × 3 =63个(串并混联)

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4:LED驱动电源使用中应注意的问题

A. LED降额使用。

B. 使用线性恒流驱动器,特别注意其工作压差。

C. 隔离式开关恒流驱动器次级输出电源不宜悬空,负极应接 地。

D. 对开关恒流驱动器,要严格遵守:先接好LED灯,再接通驱动器电源的操作顺序。

我们针对瞬间电流冲击问题研究了新型的解决方案,在输出端加入限流电路,主要有两种实现方案。

a、串联连接方式,将多余部分的能量消耗在限流电路内部。通过将多余的能量堵在负载之前,保证在连接开关闭合的瞬间流过LED灯负载上的电流在LED灯所允许的电流范围之内。

b、并联连接方式,同样也是将多余部分的能量消耗在限流电路内部。通过将多余的能量引到限流电路上,保证流过LED灯上的电流在LED灯的安全电流范围之内。

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串联限流电路:配置在高频滤波电容(C3)和恒流回路之间,在一个横向分支上包含一个NPN型晶体管(Q1)的集电极—发射极通道和与这个集电极—发射极通道串联的限流电阻(R1)。集电结偏置电阻(R5)连接到NPN型晶体管(Q1)的集电极与基极之间。NPN型晶体管(Q2)的基极连接到NPN型晶体管(Q1)的发射极上,NPN型晶体管(Q2)的集电极与NPN型晶体管(Q1)的基极相连,NPN型晶体管(Q2)的发射极连接到限流电阻(R1)的一端。同时该限流电路可以串接在恒流电阻(R2)和限压回路之间,还可以串接在限压回路和连接开关(S1)之间,也可以串接在负载和输出极地电位之间。

当输出电流低于预先设定的限流值时,限流电阻上的压降低于0.7V,NPN型晶体管(Q2)处于截止状态,NPN型晶体管(Q1)处于饱和导通状态。电路正常工作,仅仅只在限流电阻(R1)和NPN型晶体管(Q1)上增加了少量损耗。当输出的电流大于预先设定的限流值时,便会在限流电阻上产生高于0.7V的压降,此时NPN型晶体管(Q2)饱和导通,NPN型晶体管(Q1)发射极—集电极通道的等效阻值增大,起到限制输出电流的作用,近而有效的保护了负载上短暂的过流现象。

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并联限流电路:配置在输出限压回路和负载之间,在一个纵向分支上并联上一个NPN型晶体管(Q3)的集电极—发射极通道,NPN型晶体管(Q3)的基极连接到负载负电位上,限流电阻(R2)连接到NPN型晶体管(Q3)的发射极和基极之间。NPN型晶体管(Q3)的集电极—发射极通道可以电容后的任意一个纵向分支上。

当输出电流值小于预先设定的阈值电流时,限流电阻(R2)两端的压降小于0.7V,NPN型晶体管(Q3)处于截止状态,电路正常工作;当输出电流值大于预先设定的阈值电流时,限流电阻两端的压降大于0.7V,NPN型晶体管(Q3)集电极—发射极通道变为低阻值,使得大部分的电流流过NPN型晶体管(Q3)的集电极—发射极通道上,且以热能的形式消耗在NPN型晶体管(Q3)的集电结上,从而有效地保护了负载上短暂的过流现象。

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围观 13

一、LED基本分类与应用

●按输出功率分类:

0.4W、1.28W、1.4W、3W、4.2W、5W、8W、10.5W、12W、15W、18W、 20W、23W、25W、30W、45W、60W、100W、120W、150W、200W、300W 等。

●按输出电压分类:

DC4V、6V、9V、12V、18V、24V、36V、42V、48V、54V、63V、81V、105V、135V等。

●按外形结构分类:

PCBA裸板和有外壳的两种。

●按安全结构分类:

隔离和非隔离的两种。

●按功率因数分类:

带功率因数校正和不带功率因数。

●按防水性能分类:

防水和不防水两种。

●按激励方式分类:

自激式和它激式。

●按电路拓扑分类:

RCC、Flyback、Forward、Half-Bridge、Full-Bridge、Push-PLL 、LLC等。

●按转换方式分类:

AC-DC与DC-DC两种。

●按输出性能分类:

恒流、恒压与既恒流又恒压三种。

LED驱动电源的应用

分别用于射灯、橱柜灯、小夜灯、护眼灯、LED天花灯、灯杯、埋地灯、水底灯、洗墙灯、投光灯、 路灯、招牌灯箱、串灯、筒灯、异形灯、星星灯、护拦灯、彩虹灯、幕墙灯、柔性灯、条灯、带灯、 食人鱼灯、日光灯、高杆灯、桥梁灯、矿灯、手电筒、应急灯、台灯、灯饰、交通灯、节能灯、汽车尾灯、草坪灯、彩灯、水晶灯、 格栅灯、遂道灯等。

二、LED驱动电源的重要性

接触过LED的人都知道:由于LED正向伏安特性非常陡 图1.1(正向动态电阻非常小),要给LED正常供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样,直接用电压源供电,否则电压波动稍增,电流就会增大到将LED烧毁的程度。为了稳定LED的工作电流,保证LED能正常可靠地工作,具有”镇流功能”的各种各样的LED驱动电路就应运而生。最简单的是串联一只镇流电阻,而比较复杂的是用许多电子元件构成的“恒流驱动器”。

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三、LED驱动的技术方案

1、镇流电阻方案

此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单,自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。

LED工作电流I按下式计算:

“”

I与镇流电阻R成反比;当电源电压U上升时,R能限制I的过量增长,使I不超出LED的允许范围。

此电路的优点是简单,成本低;缺点是电流稳定度不高;电阻发热消耗功率,导致用电效率低,仅适用于小功率LED范围。

一般资料提供的镇流电阻R的计算公式是:

“”

按此公式计算出的R值仅满足了一个条件:工作电流I 。而对驱动电路另两个重要的性能指标:电流稳定度和用电效率,则全然没有顾及。因此用它设计出的电路,性能没有保证。

“”

2、镇流电容方案

电路的工作是基于在交流电路中,电容存在容抗XC也有”镇流作用”的原理。另外电容消耗无功功率,不发热;而电阻则消耗有功功率,会转化为热能耗散掉,所以镇流电容比镇流电阻,能节省一部分电能,并能设计成将LED灯直接接到市电~220V上,使用更为方便。

此方案的优点是简单,成本低,供电方便;缺点是电流稳定度不高,效率也不高。仅适用于小功率LED范围。当LED的数量较多,串联后LED支路电压较高的场合更为适用。

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3、线性恒流驱动电路

上面已经提到电阻、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低(△I/I达±20~50%),用电效率也低(约50~70%),仅适用于小功率LED灯。

为满足中、大功率LED灯的供电需要,利用电子技术常见的电流负反馈原理,设计出恒流驱动电路。和直流恒压电源一样,按其调整管是工作在线性,还是开关状态,恒流驱动电路也分成两类:线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。

图4是最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM337组成恒流电路,外围仅用两个元件:电流取样电阻R和抗干扰消振电容C

4、开关电源驱动电路

上述线性恒流驱动电路虽具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等优点,但使用中也发现几点不足:

a、调整管工作在线性状态,工作时功耗高发热大(特别是工作压差过大时),不仅要求较大尺寸的散热器,而且降低了用电效率。

b、电源电压要求按公式(13)与LED工作电压严格匹配,不允许大范围改变。也就是说它对电源电压及LED负载变化的适应性差。

c、它仅能工作在降压状态,不能工作在升压状态。即电源电压必须高于LED工作电压。

d、供电不太方便,一般要配开关稳压电源,不能直接用~220V供电。

输入整流:将正负变化的交流电变成单向变化的直流电

滤波:将变化的电压波形平滑成波动较小的直流电压波形

变压器:储存能量,产生需要的输出电压.原、副边隔离。

输出稳压:稳定输出电压

取样反馈:将输出电压的变化反映到控制电路,以便采取相应的措施保证输出电压在规定的范围内

PWM+开关:控制电路,根据反馈回来的信号控制变压器储存能量的多少,从而保证输出的稳定

采用开关电源驱动的优点:效率高,一般可以做到80%~90%,输出电压、电流稳定。输出纹波小。且这种电路都有完善的保护措施,属高可靠性电源。

LED驱动电源主要有恒压式和恒流式

(1)恒压式:

a、当稳压电路中的各项参数确定以后,输出的电压是固定的,而输出的电流却随着负载的增减而变化;

b、恒压电路不怕负载开路,但严禁负载完全短路。

c、 以稳压驱动电路驱动LED,每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均;

d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。

(2)恒流式:

a、 恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高;

b、 恒流电路不怕负载短路,但严禁负载完全开路。

c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的,但相对而言价格较高。

d、 应注意所使用最大承受电流及电压值,它限制了LED的使用数量;

5、开关恒流驱动电路

恒流源和恒压源不同之处就是恒流的那部分电路。

恒流部分:它主要由T1、R8、R9、R5组成。三级管的导通电压0.7V是已知量。R8阻值也是已知量,当电路开始工作后,只要R8和流过R8的电流乘积大于0.7V,三极管开始工作,电路就进入恒流工作。

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围观 53

以LED限流电阻的设计为例进行说明,有详细的计算步骤和注意细节,相信看过你会有不同的心得。

“LED发光二极管,来源于网络”
LED发光二极管,来源于网络

“普通LED发光二极管的特性曲线”
普通LED发光二极管的特性曲线

一、计算限流电阻阻值

我们知道LED是一个非线性元件,设计限流电阻时必须了解上面LED特性曲线的第一个曲线图。那就是它是一个接近2V稳压值的二极管。不同颜色的LED稳压值不同,但都在2V左右。通常我们按2V值进行计算。

LED工作电流的选取。从第一个曲线图我们知道它可以工作在0到25mA这个区间。最大工作电流具体还要看其温度特性,如果它工作环境比较恶劣,比如以前的电烧水气,因为温度比较高,可能最大电流就只有8mA左右。这个电流作为最大电压时的工作电流。通常我们设计时取2mA到3mA左右即可。因为电流再大,其亮度变化不明显。这样我们就有了计算工式:

“阻值计算工式”
阻值计算工式

当工作在直流5V系统时,其电阻结果是1k~1.5k左右,我们取1k;当工作交流220V系统时,其值为109k左右,我们取100k。实际上交流电压有可以达到240V,真峰值电压达到340V,用100k代入,电流为3.4mA,远小于最大工作电流,可以安全工作。

二、计算电阻功耗,选取合适的封装

有了上面计算的电阻值和电流值,我们就能计算最大消耗功率。由于消耗在电阻上的功耗是热量,交流可按有效值进行计算。

“功耗计算工式”
功耗计算工式

对于5V系统,电阻消耗:3V*3V/1k=9mW,稳定性及容差考虑取2倍功耗电阻,即>18mW;

对于220V系统,电阻消耗:220V*220V/100k=500mW;稳定性及容差考虑可取2倍功耗电阻。然而交流系统工作只有半个周期,所以>0.5W即可;

“电阻封装及对应功率”
电阻封装及对应功率

三、最容易忽略的,考虑电阻耐压值

细心的朋友从电阻封装及对应功率一图中,会发现电阻也有耐压值,一般低压直流电系统可不考虑,我们说说220V供电系统。一般的电阻耐压值都在300V左右。所以这样的电阻最好是2个串联,否则一旦离开实验室进行量产,故障率将超乎你想象。

“电阻功率及对应耐压值”
电阻功率及对应耐压值

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围观 11

摘要:灯具设计需要针对过电流保护设计安全断开的小尺寸保险丝,本文介绍了室内LED灯具保护电路设计的相关要求及设计人员需要考虑的问题。

引言

最初设计的室内LED灯具,设计人员面临着各种各样的技术挑战。这些瓶颈包括交直流逆变电路的功率转换、热功耗考虑/散热、当前灯泡尺寸的物理空间限制、瞬态电气脉冲,这些都是除了驱动LED发光的基本电路设计之外的技术瓶颈。

这些挑战中最重要的一个是针对LED颗粒以及其上游电路中的所有主被动元件提供瞬态脉冲保护。这些瞬态脉冲通常是交流输入电路中的雷击感应浪涌。这些浪涌意味着LED灯具需要过流及过压保护。

01、LED灯具结构

对LED灯具的功能及高亮度的需求增长意味着驱动电路板上的器件越来越多。大功率LED驱动形成高亮度输出,同时会产生大量的热功耗,这意味着需要更大的散热片。因为LED灯具旨在与现有的白炽灯和CFL灯具(如通常用于家用照明的主流A19灯具)在封装形式上兼容,都包含有一条交流/直流变换的电源驱动电路,因此可以在标准灯具插座上使用(图1)。

由于灯具内的元件和(或者)电路故障引起的短路或过载现象,都可能导致直接连接在交流电源中的任何元器件损坏。此外,雷击感应浪涌或开关机脉冲(灯具外部产生)产生的尖峰电压或振铃波会对灯具内部的元件造成压力并最终造成元件损坏。

一只LED灯具包括图2中所示的基本电路模块,其中从右到左依次为:

  • 多晶片及单晶片LED颗粒采用串联连接配置,称之为LED灯串。多个串联LED灯串并联并由同一个电源驱动。

  • 具有相应保护电路的LED灯串驱动电路中,包括串联在回路中的针对过流保护(OCP)的正温度系数(PTC)电阻和并联在回路中的用于过压保护(OVP)的 TVS 二极管。

  • DC-DC电源转换电路中,包括在输入端上针对下游元件的次级过压保护的并联TVS 二极管。

  • 交流整流电路中,包括在输出端上针对下游元件次级过流保护的串联高压直流保险丝。

  • EMI 滤波元件。

  • 交流输入电路中,由火线(L)上的串联交流保险丝和火线(L)—零线(N)间并联的MOV组成。

02、LED灯具的电路保护

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交流输入电路中,交流保险丝是灯具的主要过电流保护器件。如果针对所有必要的设计参数进行正确选择,当由于感应瞬变和短路/过载所导致的过度电性应力(EOS)产生时,这种保险丝通过将所有电路与交流输入安全地断开,充分保护所有下游元件免受损坏。

鉴于与LED灯具设计相关的空间限制,针对交流输入选择一个紧凑型的交流保险丝是至关重要的。保险丝的功能是在电流过载情况下可靠且可预测的熔断来为元件和完整的电路提供保护。

换句话说,保险丝是电路中的薄弱环节。串联在交流线路输入端的交流保险丝能提供短路和过载保护。如今,交流保险丝具有广泛的额定电流与额定电压范围,可应用于最小的结构中。还有一系列其他的关键保险丝参数和可表面贴装的设计供使用,使设计工程师能够选择出满足所有应用要求的保险丝。

具有足够的I2T额定值的交流保险丝是通过按照IEEEC.62.41标准要求的能源之星振铃测试所必需的器件。标称的热熔值I2T(单位:安培平方秒,A2sec)规定了熔断保险丝熔丝所需的能量大小。

通常,根据标称热熔值I2T选择的保险丝适用于保险丝必须承受较短持续时间的大电流脉冲的应用。LED照明应用的浪涌抗扰度测试需要符合8×20μs的组合波形。即使其标称热熔值I2T超过了波形能量的热熔值,不同的保险丝结构对浪涌事件也不会有相同的反应方式。例如,电力浪涌脉冲产生热循环,可以使保险丝产生机械疲劳从而缩短其寿命。

LED照明灯具的交流输入端的压敏电阻(MOV)是初级过压保护器件。如果针对所有必要的设计参数进行正确选择,它将可以通过钳制短时电压脉冲,保护所有下游元件免受因感应瞬变和环波效应所导致的电应力(EOS)的损坏。

当由于感应瞬变和短时嵌位电压脉冲产生的振铃导致的过度电性应力(EOS)发生时,MOV保护所有下游元件免受损坏。MOV提供了一种最大程度降低瞬变能量的高性价比的方案,防止其可能会进入下游元件。正确的 MOV器件选型要以诸多电气参数为基础,包括额定电压、峰值脉冲电流、能量等级、圆盘尺寸和引脚方式。

03、设计LED照明灯具需要考虑的问题

LED照明灯具的设计人员需要考虑各种重要的问题,针对交流输入电路选择合适的交流保险丝:

  • 第一步是找到关于应用的一些技术问题的答案。在过去,理解和回答这些技术问题,然后通过元件规格书搜索针对某种应用选择合适的保险丝,这是一项非常令人困惑和耗时的工作。这些问题包括灯具的正常工作电流、工作电压、环境温度、过载电流水平和保险丝熔断需要的时间、最大允许故障电流以及脉冲、浪涌电流、瞬间热插拔脉冲、启动电流和电路瞬变等。

  • Littelfuse 还提供一种以《保险丝选型指南》为基础的强大的在线选型工具 - iDesign保险丝选型指南。它旨在帮助电路设计人员为它们的项目确定最佳的电子保险丝。iDesign工具提供了一种快速、直观的方法来确定适合应用的最佳元件,找出元件的说明文档,并订购元件样品以进行原型设计。它通过保险丝选型步骤,根据所提供的输入信息快速缩小可选范围,帮助设计人员选择到合适的保险丝。

  • 在初始设计时,知道灯具将要出售的市场是至关重要的。根据灯具是否在美国、北美的其他地方,欧洲、亚洲或其他区域使用,设计和测试必须要满足不同的标准。

“图2
图2 具有脉冲和浪涌保护器件的典型LED驱动器电路
  • 确定可能影响可使用的保险丝的尺寸限制。保险丝可以使用多种方法进行封装,但表面贴装设计是LED照明应用中最常见的封装形式。幸运的是,对于电路设计人员来说,现在可以使用更小尺寸的保险丝来保护交流输入,其中一些的尺寸只有以前可用的最小保险丝的一半。

  • 电流流过保险丝产生的温度随着环境温度的变化而增加或减少。请注意,保险丝的“环境温度”并非正如其名,等同于“室温”。相反,环境温度是保险丝周围空气的温度,通常远高于室温,因为保险丝可能会被封装在(例如在保险丝座中)或安装在LED板的发热部件附近。对于25摄氏度的环境温度,通常建议保险丝的工作电流不超过额定电流的75%。保险丝本质上是温度敏感的器件,所以当保险丝100%满载到额定值时,即使很小的温度变化也可能会极大地影响保险丝的预期寿命。

  • 确定应用所需的分断能力。分断能力也可能被称为熔断额定值或短路额定值(I2T值)。这是保险丝在额定电压条件下可以安全熔断的最大许可电流。在故障或短路状态下,保险丝可能承受一个远高于正常工作电流的瞬间过载电流。断开意味着完好无损(无爆炸或本体破裂)并切断电路。

  • 确保在生产之前有足够的时间进行全面的应用测试和验证。如果初始设计没有通过其中任何一项测试,请确保在计划中有足够的余地来修改设计并重新测试。

  • 最后,设计人员必须将保险丝与下游过压保护器件和LED灯串驱动电路配合好。在LED灯具设计过程之初,必须考虑到瞬态抑制。保险丝的选型必须要能满足规格定义的能量冲击,避免LED灯串驱动电路受到不利影响。交流输入电路上的保险丝和MOV,如果选型合适,当出现瞬态脉冲时,无需保险丝断开就能实现过压钳位保护、安全地保护下游电路,同时最大程度降低了对LED灯串驱动电路(包括LED灯串本身)的损伤。

  • 然而,也有特定的LED照明灯具工作电路无法承受瞬态脉冲冲击。在这些情况下,正如在前面关于DC-DC转换器模块的内容中所指出的,添加一个用于过压保护的辅助次级TVS二极管是一种经过验证方案,可进一步钳制MOV的“残压”能量。在最极端的情况下,甚至还有一个额外的过流保护器件(如图2的中部所示,交流整流模块中的高压直流保险丝)和LED灯串中的过流保护器件(与LED灯串串联的PTC)、过压保护(与LED灯串并联的TVS二极管)以及LED开路保护(与LED晶粒并联的单个PLED),以提供更强劲的电路保护。

  • 保险丝与过压保护和LED驱动器的搭配。

  • 瞬态电压抑制必须是初始设计过程的一部分;所选择的的器件必须能够减少瞬态脉冲能量,抑制住脉冲电压,从而使驱动电路不受影响。

  • TVS二极管是最常用的一种抑制器件。TVS二极管专门设计用于保护电子电路,防止瞬态过电压。作为一种硅半导体雪崩器件,它既有单向也有双向。在单向TVS,特定的钳位特性只在一个方向上表现出来,在另一个方向上显示出的是类似于传统的整流器二极管的正向导通电压(VF)特性。LED照明电源(驱动器)通常在其电路中一个或多个位置上需要安装TVS二极管。

  • 瞬态脉冲的破坏潜力是由其峰值电压、持续电流和脉冲宽度所决定的。当用于保护诸如驱动IC和LED晶粒等敏感元件时,瞬态抑制器的响应时间极为重要。如果瞬态抑制器响应速度慢,当系统上出现了快速上升的瞬态尖峰时,在抑制器开始动作前,通过被保护负载的尖峰电压就已上升并起到破环作用

在选择TVS二极管时,必须考虑以下几个重要的参数:

  • 反向截止电压(VR)。其中最重要的参数是VR,其必须等于或大于被保护电路(或电路的一部分)的峰值工作电压。确保TVS在正常驱动电压下不会动作。

  • 峰值脉冲电流(IPP)。IPP是TVS所能承受的最大安全脉冲电流,通常以诸如10×1000μs的指数波形为参照表示。Ipp仅表示瞬态峰值电压除以源阻抗的值。

  • 最大钳位电压(VC)。VC是基于参照的指数波形,在脉冲峰值电流(IPP)流过TVS 器件时,TVS 两端出现的峰值电压。

  • TVS二极管中的故障机制是短路。因此,如果TVS二极管因瞬态脉冲而出现故障,其所在的电路依然会受到保护。

04、结论

在LED 灯具设计初期阶段就有完善的电路保护,并投入所需的时间和资源的设计人员将会收获成功的产品和更好的用户体验。由于交流保险丝、交流MOV和TVS二极管等元件的最新进展,到新一代设计人员诞生之前,下一代LED灯具就可能到来。

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围观 48

LED日光灯电源发热到一定程度会导致烧坏,关于这个问题,也见到过有人在行业论坛发过贴讨论过。本文将从芯片发热、功率管发热、工作频率降频、电感或者变压器的选择、LED电流大小等方面讨论LED日光灯电源发热烧坏MOS管技术。

1、芯片发热

本次内容主要针对内置电源调制器的高压驱动芯片。假如芯片消耗的电流为2mA,300V的电压加在芯片上面,芯片的功耗为0.6W,当然会引起芯片的发热。驱动芯片的最大电流来自于驱动功率MOS管的消耗,简单的计算公式为I=cvf(考虑充电的电阻效益,实际I=2cvf,其中c为功率MOS管的cgs电容,v为功率管导通时的gate电压,所以为了降低芯片的功耗,必须想办法降低c、v和f.如果c、v和f不能改变,那么请想办法将芯片的功耗分到芯片外的器件,注意不要引入额外的功耗。再简单一点,就是考虑更好的散热吧。

2、功率管发热

功率管的功耗分成两部分,开关损耗和导通损耗。要注意,大多数场合特别是LED市电驱动应用,开关损害要远大于导通损耗。开关损耗与功率管的cgd和cgs以及芯片的驱动能力和工作频率有关,所以要解决功率管的发热可以从以下几个方面解决:

a、不能片面根据导通电阻大小来选择MOS功率管,因为内阻越小,cgs和cgd电容越大。如1N60的cgs为250pF左右,2N60的cgs为350pF左右,5N60的cgs为1200pF左右,差别太大了,选择功率管时,够用就可以了。

b、剩下的就是频率和芯片驱动能力了,这里只谈频率的影响。频率与导通损耗也成正比,所以功率管发热时,首先要想想是不是频率选择的有点高。想办法降低频率吧!不过要注意,当频率降低时,为了得到相同的负载能力,峰值电流必然要变大或者电感也变大,这都有可能导致电感进入饱和区域。如果电感饱和电流够大,可以考虑将CCM(连续电流模式)改变成DCM(非连续电流模式),这样就需要增加一个负载电容了。

3、工作频率降频

这个也是用户在调试过程中比较常见的现象,降频主要由两个方面导致。输入电压和负载电压的比例小、系统干扰大。对于前者,注意不要将负载电压设置的太高,虽然负载电压高,效率会高点。对于后者,可以尝试以下几个方面:

a、将最小电流设置的再小点;
b、布线干净点,特别是sense这个关键路径;
c、将电感选择的小点或者选用闭合磁路的电感;
d、加RC低通滤波吧,这个影响有点不好,C的一致性不好,偏差有点大,不过对于照明来说应该够了。
无论如何降频没有好处,只有坏处,所以一定要解决。

4、电感或者变压器的选择

终于谈到重点了,我还没有入门,只能瞎说点饱和的影响了。很多用户反应,相同的驱动电路,用a生产的电感没有问题,用b生产的电感电流就变小了。遇到这种情况,要看看电感电流波形。有的工程师没有注意到这个现象,直接调节sense电阻或者工作频率达到需要的电流,这样做可能会严重影响LED的使用寿命。

所以说,在设计前,合理的计算是必须的,如果理论计算的参数和调试参数差的有点远,要考虑是否降频和变压器是否饱和。变压器饱和时,L会变小,导致传输delay引起的峰值电流增量急剧上升,那么LED的峰值电流也跟着增加。在平均电流不变的前提下,只能看着光衰了。

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围观 6

作者:Microchip Technology Inc.8位单片机产品部、主任应用工程师Mark Pallones

开关模式可调光LED驱动器凭借其高效性以及对LED电流的精确控制而闻名。这类LED驱动器还可以提供调光功能,使得最终用户在营造奇幻灯光效果的同时有效降低自身功耗。基于8位单片机(MCU)的解决方案可针对此类应用提供必要的模块,从而实现通信、定制和智能控制功能。此外集成的独立于内核的外设,与纯模拟或ASIC实现相比可显著提升灵活性,扩展照明产品功能的同时塑造产品差异化,从而实现创新。这类智能照明解决方案具备故障预测和维护、能量监测,色温维持以及远程通信和控制等功能,功能之丰富不胜枚举,并且将因此而倍受青睐。

虽然LED驱动器与先前的照明解决方案相比具备诸多优势,但其实现过程中也会面临许多挑战。但您不必担心,阅读完本文章后,您将会了解如何使用8位MCU来轻松应对这些设计挑战,从而打造出高性能的开关模式LED驱动解决方案,功能之丰富令传统解决方案只能望其项背。

8位单片机可独立控制最多四个LED通道,这是大多数现成LED驱动器控制器所不具备的一项独特能力。在图1中,LED调光引擎可由单片机中提供的外设构成。这些引擎均具有独立的封闭通道,极少需要甚至不需要中央处理单元(CPU)干预即可控制开关模式电源转换器。这样可以释放CPU以执行其他重要任务,比如系统中的监控功能、通信功能或新增的智能功能。

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图1:通过Microchip的PIC16F1779 8位单片机控制四个LED串的图示

LED调光引擎

在图2中,基于电流模式升压转换器的LED驱动器由LED调光引擎控制。该引擎主要由互补输出发出发生器(COG)、数字信号调制器(DSM)、比较器、可编程斜坡发生器(PRG)、运算放大器(OPA)和脉宽调制器3(PWM3)等独立于内核的外设(CIP)组成。这些CIP与固定稳压器(FVR)、数模转换器(DAC)和捕捉/比较/PWM(CCP)等其他片上外设一起组成完整的引擎。COG将高频开关脉冲提供给MOSFET Q1,从而将能量和供电电流传输给LED串。COG输出的开关周期通过CCP和占空比设置,用于维持LED恒定电流,具体取决于比较器输出。每当Rsense1两端的电压超过PRG模块的输出时,比较器就会产生一个输出脉冲。PRG的输入源自反馈电路中的OPA输出,它被配置为斜率补偿器,以在占空比大于50%时抵消固有次谐波振荡的影响。

OPA模块实现为具有II型补偿器配置的误差放大器(EA)。FVR用作DAC输入,根据LED恒定电流规范为OPA同相输入提供参考电压。

为了实现调光目的,PWM3用作CCP输出的调制器,同时驱动MOSFET Q2以使LED快速循环亮起和熄灭。调制操作可通过DSM模块来完成,调制后的输出信号馈送到COG。PWM3可提供占空比可变的脉冲,用于控制驱动器的平均电流,实际上控制的是LED的亮度。

LED调光引擎不仅可以实现典型LED驱动器控制器的功能,而且还具备解决LED驱动器典型问题的能力。现在,我们将探讨这些问题并分析如何使用LED调光引擎来加以避免。

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图2.LED调光引擎

频闪

频闪是典型开关模式可调光LED驱动器可能面临的挑战之一。虽然精心策划的频闪会带来有趣的效果,但如果LED发生意外频闪,则会破坏用户期望的灯光设计。为了避免频闪并提供平滑调光体验,应确保驱动器从最高档位(即100%灯光输出)一直到最低档位的调光效果都是连续流畅的。由于LED会瞬间响应电流变化并且不具有阻尼效果,因此驱动器必须具有足够多的调光档位才能确保人眼察觉不到变化。为了满足这一要求,LED调光引擎采用PWM3来控制LED的调光。PWM3是16位分辨率的PWM,从100%到0%占空比共有65536个档位,可保证亮度平滑切换。

LED色温转换

LED驱动器还可以转换LED的色温。 此颜色变化是人眼能够察觉得到的,削弱了客户对享受优质LED照明体验的主张。图3给出了典型的PWM LED调光波形。当LED熄灭时,由于输出电容缓慢放电,LED电流会逐渐减小。此事件会导致LED发生色温漂移且功耗增大。

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图3.LED调光波形

可以使用负载开关来防止输出电容缓慢放电。例如,在图2中,电路使用Q2作为负载开关,LED调光引擎会同步关闭COG PWM输出和Q2,以便切断电流衰减路径,让LED快速熄灭。

峰值电流

当使用开关模式功率转换器驱动LED时,将采用反馈电路来调节LED电流。但是,如果在调光期间操作不当,反馈电路会产生峰值电流(见图3)。回顾图2,当LED点亮时,电流传输到LED,RSENSE2两端的电压馈送到EA。当LED熄灭时,没有电流传输到LED,RSENSE2电压变为零。在此调暗期间,EA输出会增加到最大值,并使EA补偿网络过充。当调制的PWM再次导通时时,如果有高峰值电流驱动到LED,则需要若干个周期才能恢复。此峰值电流会削减LED的使用寿命。

为了避免这一问题,LED调光引擎允许将PWM3用作OPA的改写源。当PWM3为低电平时,EA的输出呈三态,将补偿网络与反馈回路完全断开,并将保持最后一个稳定反馈点作为补偿电容中存储的电荷。当PWM3为高电平且LED再次点亮时,补偿网络重新连接,EA输出电压立即跳到其先前的稳定状态(PWM3为低电平之前),并且几乎立即恢复LED电流设定值。

完整解决方案

如前文所述,LED调光引擎极少需要甚至不需要CPU干预即可正常工作。因此,在将所有对于LED驱动器的控制工作分配给各个CIP时,CPU将具有充足的带宽来执行其他重要任务。 此外,通过对检测到的输入和输出电压进行处理,可以执行欠压锁定(UVLO)、过压锁定(OVLO)和输出过压保护(OOVP)等保护功能。这样可确保LED驱动器按照规范要求工作,并且LED不受异常输入和输出条件的影响。CPU还可以处理来自传感器的温度数据,以实现对LED的热管理。而且,当设置LED驱动器的调光级别时,CPU可以处理来自简单外部开关或串行通信命令的触发信号。此外,LED驱动器的参数可以通过串行通信的方式发送到外部设备以进行监控或测试。

除了上述功能之外,设计师还可以在自己的LED应用中尽情添加更多智能功能,包括通信(例如,DALI或DMX)和定制控制功能等。图4给出了使用LED调光引擎的完整开关模式可调光LED驱动器解决方案示例。

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图4.开关模式可调光LED驱动器解决方案

结论

LED调光引擎可用于打造高效型开关模式可调光LED驱动器。高效性体现在其能够驱动多个LED串、提供高效能源、确保LED达到最佳性能、维持较长的LED使用寿命以及在系统中增添智能功能。

本文转载自:Microchip微芯
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