LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)電路解析 —電路圖天天讀（231）

　　隨著高功率LED的問世，照明產(chǎn)業(yè)也面臨新的挑戰(zhàn)。LED的使用壽命及電源轉(zhuǎn)換效率成為設(shè)計(jì)LED照明系統(tǒng)時(shí)的主要考慮因素。而為了提供恒流以維持LED色彩與亮度的一致性，恒流LED驅(qū)動(dòng)器可作為一個(gè)提供恒流輸出的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器。此外，省電或高效率的電源轉(zhuǎn)換需求更是在LED照明應(yīng)用上不可缺少的要素，而磁滯型脈沖頻率調(diào)變技術(shù)（HystereTIc PFM）可以大幅提升輕載或重載時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率。本文將探討如何利用恒流LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)出高效率、高穩(wěn)定性的LED照明系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)器：定電壓模式

　　流經(jīng)LED的電流決定了LED的亮度，電流越大，LED的亮度也會(huì)越亮。一般而言，使用定電壓或恒流驅(qū)動(dòng)器都可達(dá)到點(diǎn)亮LED的目的。圖1為最簡(jiǎn)單的定電壓 LED驅(qū)動(dòng)器，流經(jīng)LED的電流是由與LED串聯(lián)的電阻所控制。例如，假設(shè)輸入電壓為5V，LED的順向偏壓為3.6V，則在該條件下，如果需要的LED 電流為20mA，所要使用的限流電阻即為70Ω。雖然這種方法的架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但LED的電流會(huì)隨著落在LED兩端的電壓而改變，如果LED順向偏壓不一致或輸入電壓有些許變動(dòng)都會(huì)對(duì)LED的亮度產(chǎn)生影響。除此之外，在限流電阻上的功率損耗也會(huì)造成過熱及低效率的問題。

　　圖1：定電壓LED驅(qū)動(dòng)器電路圖

　　傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)器：恒流模式

　　另一種常用的LED驅(qū)動(dòng)器為如圖2所示的恒流模式驅(qū)動(dòng)器。在圖2中，LED的電流由線性穩(wěn)壓器所提供，其電流可由R1電阻設(shè)定。與定電壓模式驅(qū)動(dòng)器相比，恒流模式驅(qū)動(dòng)器可以控制流經(jīng)LED的電流而不受LED順向偏壓及輸入電壓的不同所影響。但如果輸入電壓與LED總順向偏壓之間的壓差過大的話，還是會(huì)在驅(qū)動(dòng)器上產(chǎn)生過熱的問題。

　　圖2：恒流LED驅(qū)動(dòng)器電路圖

　　磁滯型脈沖頻率調(diào)變

　　MBI6650 的磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制方式可以在輕載應(yīng)用下有效提升系統(tǒng)的效率。圖3為MBI6650的應(yīng)用電路，圖4為磁滯型脈沖頻率調(diào)變方式的波型示意圖。圖3中的VSEN為RSEN電阻兩端的壓降，MBI6650的輸出電流就是由該電壓及電阻而定。圖4中的VH為MBI6650內(nèi)部的高位準(zhǔn)參考電壓，其值為 VSEN電壓的1.3倍，而VL為VSEN的0.7倍。MBI6650的工作原理為：當(dāng)電源打開時(shí)，VSEN低于VH，因此MBI6650內(nèi)置的 MOSFET開啟，此時(shí)電感電流增加連帶使跨在RSEN兩端的VSEN隨之增加。當(dāng)VSEN等于VH時(shí)，內(nèi)置的MOSFET會(huì)關(guān)閉，此時(shí)電感電流會(huì)透過二極管（D1）放電而下降，因而使VSEN電壓隨之下降。而當(dāng)VSEN電壓等于VL時(shí)，內(nèi)置的MOSFET又會(huì)再次開啟并重復(fù)之前的動(dòng)作。由于磁滯型脈沖頻率調(diào)變的特性，電感電流會(huì)一直維持在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），這對(duì)降低LED漣波電流有很大的幫助。

　　這種控制方式的切換頻率會(huì)隨著負(fù)載電流而變化，電流越大頻率越低。在相同的負(fù)載條件下，電感越大其切換頻率會(huì)越低。MBI6650的切換頻率被控制在40kHz以上以避免音頻噪聲的發(fā)生。

　　除了可改善輕載時(shí)的效率外，磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制方式也具有其它優(yōu)點(diǎn)，例如，由于使用高壓測(cè)電流限制技術(shù)，在限流電阻上所損失的功耗很小，因此可使用較小體積的限流電阻，這對(duì)節(jié)省電路板空間及組件費(fèi)用是有幫助的。

　　圖3：MBI6650應(yīng)用電路圖

　　圖4：磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制方式的波型示意圖

　　消除波動(dòng)AC輸入引起的LED閃爍

　　在LED照明系統(tǒng)中，添加電路以改善PFC響應(yīng)時(shí)間能夠幫助消除由快速變化的AC輸入電壓引起的閃爍。如果功率因素校正（PFC）塊響應(yīng)不夠快，波動(dòng)AC輸入能夠推動(dòng)輸出電壓超出其正常范圍并引起人眼能夠察覺的照明輸出變化。添加一些簡(jiǎn)單的電路至PFC塊能夠幫助改善響應(yīng)時(shí)間并消除閃爍問題。

　　防止過壓條件

　　添加過壓消除（OVE）至PFC塊，幫助更輕松地對(duì)升高過快（尤其啟動(dòng)過程中）的電壓作出反應(yīng)。沒有OVE塊的話，如果PFC沒有及時(shí)響應(yīng)，輸出電壓和反饋控制之間就會(huì)存在間隙。由于輸出電壓達(dá)到其目標(biāo)，反饋控制嘗試降低控制值，但是因?yàn)樗?，可能?huì)產(chǎn)生過多的能量。添加OVE功能能夠解決這個(gè)問題。當(dāng)過多的升壓電壓超出目標(biāo)時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)并且PFC轉(zhuǎn)換器作出快速反應(yīng)。圖1顯示在有和沒有附加OVE電路的情況下PFC控制器的輸出響應(yīng)。配備OVE的控制器在啟動(dòng)時(shí)有效消除過壓條件的應(yīng)力。

　　圖：添加OVP功能在啟動(dòng)時(shí)消除過壓應(yīng)力

　　保護(hù)功能

　　為確保LED照明系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)器的安全及可靠性，MBI6650同時(shí)提供數(shù)種保護(hù)功能。例如：欠電壓保護(hù)（UVLO）避免讓IC因輸入電壓不足時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作，它所提供的磁滯電壓可避免開機(jī)時(shí)的噪聲干擾。開路及短路保護(hù)可保護(hù)驅(qū)動(dòng)器因受故障狀況影響而損傷。同時(shí)MBI6650也提供過溫度保護(hù)，當(dāng)IC芯片到達(dá) 140°C時(shí)，IC即會(huì)自動(dòng)關(guān)閉輸出電流以避免過熱對(duì)IC產(chǎn)生損傷，而當(dāng)溫度降至95°C時(shí)，IC才又會(huì)再次工作。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：本篇文章將恒流LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)出高效率、高穩(wěn)定性的LED照明系統(tǒng)的大部分基礎(chǔ)知識(shí)都進(jìn)行了總結(jié)和歸納。還對(duì)傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)器的兩種模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析和相應(yīng)的電路分析。并給出了消除LED閃爍的解決方法。希望大家能夠全面掌握這些知識(shí)，從而為自己的設(shè)計(jì)生涯打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
電子發(fā)燒友《無線通信特刊》，更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，馬上下載閱覽