基于開關(guān)電源芯片MC33167的LED驅(qū)動器開發(fā)

摘要：當(dāng)前，半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展迅速，作為半導(dǎo)體照明技術(shù)核心產(chǎn)品的發(fā)光二極管(LED)光源已對照明領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的影響。LED光源的實際應(yīng)用導(dǎo)致對LED驅(qū)動器有很多非常具體的性能要求。針對開發(fā)LED驅(qū)動器需要提高電路的轉(zhuǎn)換效率和可靠性的實際需要，選擇高效率的Buc k-Boost電路做為LED驅(qū)動器的主電路，提出并實現(xiàn)了內(nèi)部核心開關(guān)電源芯片MC33167的開發(fā)，并就該芯片的原理、結(jié)構(gòu)特點和一些實施要點進行討論，給出LED驅(qū)動器主控電路以及LED驅(qū)動器智能控制電路，并利用控制理論對LED驅(qū)動器的穩(wěn)定性進行分析。最后通過分析測試結(jié)果，展示了利用開關(guān)電源芯片MC33167實現(xiàn)大功率LED驅(qū)動器的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動器；發(fā)光二極管開關(guān)電源；閉環(huán)

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。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)動電路有關(guān)，因此設(shè)計電流型開關(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)動方案。

2 LED驅(qū)動器的設(shè)計思想

由于該驅(qū)動器主要用于汽車照明，其電源主要是蓄電池，因此需要一個DC／DC轉(zhuǎn)換器來準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED的恒定電流，進而獲得LED光強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可能降至8 V，而發(fā)動機運行時交流發(fā)電機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)動器作為電流控制系統(tǒng)的本質(zhì)特點，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5 A，并且通過配置合適的外圍電路就可實現(xiàn)升-降壓功能，因此該芯片完全可做為汽車用LED驅(qū)動器的核心芯片。

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，可提供欠電壓保護和內(nèi)部熱保護，各種保護模式可使電路工作在安全狀態(tài)下。在保護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對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。芯片1腳電位U1變化時(U1與標(biāo)準(zhǔn)電壓5．05 V不相等時)，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，U5升高，同時控制U2的占空比升高，平均值增加，所以輸入U1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)動器電路開發(fā)

4．1 從電壓源到電流源的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)過實際電路的測試，試驗結(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)計電流源。