LED照明的直流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法

1、LED照明的直流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法作者：無(wú)線電愛(ài)好者 日期：2009&522:29:07人氣：1535標(biāo)簽：作為鹵素?zé)舻蛪赫彰鞯囊环N替代技術(shù)，LED照明日益流行。與鹵素?zé)襞莶煌氖?，LED沒(méi)有效率低、可靠性差以及使用壽命短等問(wèn)題的困擾。本文描述了一種在直流照明系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)大功率LED的新方法，這種解決方案能提供 95%的效率、更長(zhǎng)的使用壽命，并能承受更 高的電氣和機(jī)械沖擊。同時(shí)對(duì)采用 ZXSC300系列DC-DC控制器的實(shí)際電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì) 算和分析。在圖1所示的電路中，ZXSC300系列DC-DC控制器驅(qū)動(dòng)以降壓模式工作的外部開(kāi)關(guān)。表1列出了 12V電源系統(tǒng)的材料清單。通過(guò)增加R2的值可提供更高

2、的系統(tǒng)電壓，例如，要得到24V的電壓僅需將 R2值改為2.2k愆同時(shí)電容C1也須有更高的額定電壓，電路基本 工作原理如下：R2分VKZhVSJIdnf，于Mare當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)LED、電容C2和電感。當(dāng)R1兩端的壓降達(dá)到Isense引腳的閾值電壓時(shí)，Q1關(guān)斷 并保持一個(gè)固定時(shí)間，電感中的能量流過(guò)D1和LED。經(jīng)過(guò)這個(gè)固定時(shí)間后，Q1重新導(dǎo)通，如此循環(huán)往復(fù)。電路工作原理分析下面對(duì)電路的工作原理進(jìn)行更詳細(xì)地分析，以得到電路參數(shù)及與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算。下面從開(kāi)關(guān)Q1在一個(gè)固定時(shí)間Ton內(nèi)導(dǎo)通開(kāi)始分析。ZXSC310將Q1導(dǎo)通直至它在Isense引腳上檢測(cè)到19mV電壓(標(biāo)稱值), 于是達(dá)到此

3、閾值電壓時(shí) Q1上的電流為19mV/R1，稱為Ipeak。當(dāng)Q1導(dǎo)通，電流從電源流出，流過(guò) C1和串聯(lián)LED。假設(shè)LED正向壓降為VF,則剩下的電源電壓將全 部落在L1上，稱為VL1，并使L1上的電流以di/dt=VL1/L1的斜率上升。其中di/dt單位為安培/秒、VL1的 單位為伏、L1的單位為亨。Q1與R1上的壓降忽略不計(jì)，因?yàn)?Q1的導(dǎo)通電阻RDS(ON)很小，且R1上的壓降總是小于 19mV。19mV是Q1的關(guān)斷閾值電壓，依據(jù)Isense引腳的閾值電壓設(shè)置。VIN=VF+VL1TON = | PEAKxLI/ V L1由于將VIN減去led正向壓降可得到L1兩端的電壓，故可算出 TO

4、N。因此，如果L1較小，則對(duì)于同樣 的峰值電流|PEAK及電源電壓VIN，TON亦較小。請(qǐng)注意，在電感電流上升到IPEAK的過(guò)程中，電流流過(guò)LED，因此LED上的平均電流等于Ton上升期間及Toff下降期間的電流之和?，F(xiàn)在看一下Q1關(guān)斷期間仃off）的情況。ZXSC300系列DC-DC控制器的Toff在內(nèi)部被固定為1.7us（標(biāo)稱值）, 需要注意的是，如果用該值來(lái)計(jì)算電流斜坡，則其范圍最小為1.2 g,最大為3.2以為盡量減少傳導(dǎo)損耗及開(kāi)關(guān)損耗，ton不能比toff小太多。過(guò)高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)造成較高的dv/dt，因此建議ZXSC300和310的最高工作頻率為200kHz。假設(shè)固定Toff為1.7

5、 g，s則Ton最小值為5 g1.7 g s=3.3o撚而這不是一個(gè)絕對(duì)限制值，這些器件已可在2至3倍該頻率下工作，但轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低。在toff期間，儲(chǔ)存在電感中的能量將被轉(zhuǎn)移到LED，只在肖特基二極管上有一些損耗。儲(chǔ)存在電感中的能量為：EQ1系統(tǒng)可以以連續(xù)或非連續(xù)模式工作，兩者之間的差別及對(duì)平均電流的影響將在后面部分中解釋。如果Toff恰好是電流達(dá)到零所需的時(shí)間，則 LED中的平均電流將為I peak/2。實(shí)際上，電流可能會(huì)在 Toff 之前達(dá)到零，此時(shí)平均電流將小于 Ipeak/2，因?yàn)樵谶@個(gè)周期里有一段時(shí)間 LED的電流為零，這稱為 非連 續(xù)”工作模式。如果經(jīng)過(guò)1.7 g后電流沒(méi)有達(dá)到零

6、，而是下降到IMIN，則稱器件進(jìn)入連續(xù)”工作模式。LED電流將在IMIN與Ipeak之間上升和下降（di/dt斜率可能不同），此時(shí)平均LED電流為 I MIN 與 ipeak 的平均值。4 3 10 町 雖種目LED電運(yùn)與輔入電圧的先黑通過(guò)用實(shí)際值進(jìn)行計(jì)算，上面的原理可運(yùn)用于實(shí)際電路設(shè)計(jì)。例如，已知輸岀電壓穩(wěn)定的12V直流電源以及3個(gè)功率為1W的LED（需要340mA工作電流），即可參考圖1所示的電路及表1列出的材料清單進(jìn) 行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可工作在 11V至18V電源電壓范圍內(nèi)。電源輸入電壓=vin=12V，LED 正向壓降=vf=9.6V，Vin =VF+VL1。因此,VL1=12V-9.6V

7、=2.4V 。峰值電流 =v sens0R1=34mV/50m(=680mA，這里 R1 就是 Rse nsTon=| peakxL1/V liTm= 680； 22H在上述等式中，近似認(rèn)為在整個(gè)電流上升與下降期間led正向壓降不變。事實(shí)上它會(huì)隨電流升高而增大，但這些公式使設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果在實(shí)際電路所用器件的容差范圍內(nèi)。此外，VIN與VF之間的差值小于它們中的任何一個(gè)，所以6.2卩的上升時(shí)間將基本上取決于這些電壓值。值得注意的是，對(duì)于 9.6V的LED正向壓降以及300mV的肖特基二極管正向壓降來(lái)說(shuō)，從680mA下降到零的時(shí)間為：由于Toff一般為1.7小所以電流有足夠的時(shí)間降到零。然而，盡管1

8、.5卩已相當(dāng)接近1.7日因?yàn)槠骷娜莶?，線圈電流可能不能降到零。但這不是什么大問(wèn)題，因?yàn)闅堄嚯娏鲿?huì)很小。需要注意的是，由于對(duì)峰 值電流的測(cè)量及關(guān)斷，不可能產(chǎn)生在具有固定ton時(shí)間的轉(zhuǎn)換器里發(fā)生的危險(xiǎn)的電感階躍”（inductorstaircasing）問(wèn)題。由于電流可能永遠(yuǎn)都不會(huì)超過(guò)ipeak，所以即使電流從一個(gè)有限值開(kāi)始增長(zhǎng)（即連續(xù)模式），也不會(huì)超過(guò)i peak，于是LED電流將近似等于680mA與0的平均值，即340mA。它并不是嚴(yán)格意義上的 平均值，因?yàn)橛?00ns的時(shí)間里電流為零，但與ipeak及器件容差相比這非常小。圖2與圖3分別描述了 12V與24V系統(tǒng)的性能。電路設(shè)計(jì)計(jì)算在ton

9、期間（假設(shè)為非連續(xù)工作模式），電源的輸入功率等于 Vin X Peak/2，因而電源的平均輸入電流等于該 電流乘以ton相對(duì)于整個(gè)周期時(shí)間的比值。Ton + 丁時(shí)從上式可看出平均電源電流是如何在較低電壓下隨著ton相對(duì)于固定的1.7卩的增加增大。這是符合功率原理的，因?yàn)楫?dāng)電源電壓較低時(shí)，固定（或近似固定）的LED功率需要更多電源電流才能獲得相同功率。8停顯號(hào)生產(chǎn)商蛙U1zxsciioesZX5C3Q0*：半毀2各勺買蚩葩LED腔彳靠01ZXMM6A07FN 用 SOT23M* fiNMMCSFFT 11A/40VZHC51000丟烈嘿糾吶豈峠墓evBMI9 6VS 棄靈 Wr ”LLiD033

10、lCP-?23: CoikrrfK150ms?FUIkQ9ABC1iWpFS&VC2IijFICV5-斗a2儲(chǔ)存在電感中的能量等于從電感轉(zhuǎn)移到LED的能量（假設(shè)為非連續(xù)工作模式），為：EQ1因此，當(dāng)輸入電壓與輸岀電壓的差別變得更大時(shí)，從電感轉(zhuǎn)移到LED的能量比LED直接從電源獲取的能量要更多些。如果能計(jì)算出使電流正好在1.7卩時(shí)達(dá)到零的電感值L1及峰值電流Ipeak，則LED的功率將不會(huì)太依賴于電源電壓，因?yàn)榇藭r(shí)LED中的平均電流總是近似為| peak/2。隨著電源電壓的增加，達(dá)到| peak所需的ton將減小，但LED的功率基本恒定，且在 ton期間只吸取從零 至PEAK的電源電流。電源電壓越高，TON占整個(gè)周期的比例越小，所以較高電源電壓時(shí)的平均電源電流亦較小，這樣保持了功率（和效率）的恒定。肖特基二極管正向壓降會(huì)使效率降低。例如，假設(shè)LED的VF為6V，肖特基二極管的VF為0.3V，則從電感轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的能量的效率損失為5%，即肖特基二極管正向壓降與 LED正向壓降之比。在Ton期間，肖特基二極管不在電流回路中，故不會(huì)引入損耗，因此整個(gè)效率損失比取決于ton與toff之比。對(duì)于ton占整個(gè)周期的大部分的低電源電壓來(lái)說(shuō)，由肖特基二極管引入的損耗并不大。當(dāng)LED電壓較高侈個(gè)LED串聯(lián)）時(shí)，肖特基二極管引入的損耗也不大，因?yàn)榇藭r(shí)肖特基二極管正向