高性價(jià)比之LED照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

1、高性價(jià)比之 LED 照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案高性價(jià)比之 LED 照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案By 俞仲威，聚積科技技術(shù)市場(chǎng)部項(xiàng)目副理前言高功率 LED 的問(wèn)世加速了 LED 在照明產(chǎn)業(yè)的普及，同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(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，同時(shí)必須提供恒流(constant current)以維持 LED 色彩與亮度的一致性。因此，設(shè)計(jì)良好的 LED 驅(qū)動(dòng)器必須能提供精確的電流輸出且不受輸入電壓及輸出負(fù)載變化影響，且同時(shí)兼顧能源轉(zhuǎn)換效率及輸出漣波等影響使用壽命的特性。磁滯型脈沖頻率調(diào)變技術(shù)(Hysteretic PFM, HPFM)可以大幅提升系統(tǒng)在低負(fù)載或高負(fù)載

2、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)出具有高效率、高穩(wěn)定性且兼具高信賴性的 LED 照明系統(tǒng)。定電壓 vs. 恒流驅(qū)動(dòng)模式一般而言，LED 的輸出亮度與流經(jīng) LED 的順向電流約略成正比，使用定電壓或恒流驅(qū)動(dòng)器皆可達(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，LED 電流是由與 LED 串聯(lián)的電阻 R1-Rn與 LED 的順向偏壓(forwardvoltage, VF)所決定。例如，輸入電壓為 5V，LED 順向偏壓為 3.6V，如果要設(shè)計(jì) LED 電流為 20mA，所要使用的鎮(zhèn)流電阻經(jīng)計(jì)算為 70。雖然這種鎮(zhèn)流器架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是若 VIN 變動(dòng)則

3、 LED 輸出亮度也必然會(huì)隨之改變；同時(shí)量產(chǎn)品的 LED 順向偏壓不一致也會(huì)對(duì)每一串 LED 的輸出亮度產(chǎn)生影響。在鎮(zhèn)流電阻上的功率損耗也會(huì)造成過(guò)熱及低效率的問(wèn)題，特別是在輸入電壓與 LED 輸出電壓相差極大時(shí)效率會(huì)越形低落。R1LED11RnLEDn1V IN+-LED12LED13LEDn2LEDn3圖 1 定電壓 LED 驅(qū)動(dòng)器另一個(gè)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 的電流是由線性穩(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)器比較，恒流模式驅(qū)動(dòng)器藉由控制檢流電阻 R1 兩端跨壓可以直接控制流經(jīng) LED 的電流，在這種設(shè)計(jì)架構(gòu)下，L

4、ED 輸出電流只與 R1 的精確度相關(guān)，不受輸入電壓變化或是 LED順向偏壓不一致影響。但是如果輸入電壓與 LED 輸出電壓之間壓差過(guò)大的話，還是會(huì)在驅(qū)動(dòng)器上產(chǎn)生過(guò)熱的問(wèn)題。Macroblock, Inc. 2011Floor 6-4, No. 18, Pu-Ting Rd., Hsinchu, Taiwan 30077, ROC.TEL: +886-3-579-0068, FAX: +886-3-579-8934 E-mail: info.tw1高性價(jià)比之 LED 照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案VINOUTV IN+C INFBLED1I LED+C OUTR1圖 2 恒流 LED 驅(qū)動(dòng)器磁滯型脈沖頻率調(diào)

5、變MBI6661 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 MBI6661 的應(yīng)用電路，而圖 4 為磁滯型脈沖頻率調(diào)變方式的波型示意圖。圖 3 中 RSEN 電阻兩端的直流壓降定義為 VSEN，MBI6661的輸出電流即是由此電壓及電阻而定(MBI6661 中 VSEN=100mV)。圖 4 中的 VH 為 MBI6661 內(nèi)部的高位準(zhǔn)參考電壓，其值為 VSEN 電壓的 1.15 倍，而 VL 為 VSEN 的 0.85 倍。磁滯調(diào)變的原理為當(dāng)電源打開(kāi)時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí) LED電流為零使 VSEN 必然低于 VH，因此 MBI6661 內(nèi)建的 MOSFET 導(dǎo)通對(duì)電

6、感充電，此時(shí)電感電流增加連帶使 RSEN兩端電壓 VSEN 隨之增加。當(dāng) VSEN 等于 VH 時(shí)，內(nèi)建的 MOSFET 會(huì)被關(guān)閉，此時(shí)電感電流會(huì)透過(guò)飛輪二極管(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)建的 MOSFET 又會(huì)再次導(dǎo)通并重復(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 輸出漣波電流有很大的幫助。磁滯型脈沖頻率調(diào)變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。MBI6661 的切換頻率必須被控制在 40kHz 以上以避

7、免音頻噪聲的發(fā)生。供做切換頻率與各參數(shù)間的關(guān)系可以推導(dǎo)如下：FSWVIN - VOUT - VSEN - (R DS(ON) IOUT )DL1I LRDS(ON) 為 MBI6661 內(nèi)部 MOSFET 的導(dǎo)通電阻，此值為在電源電壓 VIN =12 伏特時(shí)量測(cè)值不超過(guò) 0.35L1 為電源轉(zhuǎn)換器的主電感D 為 MBI6661 工作占空比，D=VOUTVINFSW 為 MBI6661 工作切換頻率IOUT 為 LED 輸出電流，I L 為電感的漣波電流，IL=(1.15xIOUT)(0.85xIOUT)=0.3xIOUTVSEN 為檢流電阻上的直流壓降，VIN 為輸入電壓，VOUT 為輸出的

8、LED 電壓。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他優(yōu)點(diǎn)。由于 MBI6661 使用高壓側(cè)電流檢測(cè)技術(shù)(high-side sensing)，在檢流電阻上所損失的功耗很小，因此可使用較小體積的檢流電阻。相較于傳統(tǒng)定頻式脈波寬度調(diào)變控制技術(shù)(Pulse-Width Modulation, PWM)而言，磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制回路設(shè)計(jì)上更為簡(jiǎn)單，免除了復(fù)雜的頻率補(bǔ)償設(shè)計(jì)，因此可以大幅減少控制器所需的外部組件，這對(duì)節(jié)省電路板的空間及生產(chǎn)制造的成本是有正面幫助的。Macroblock, Inc. 2011Floor 6-4, No. 18, Pu-Ting Rd., Hsinc

9、hu, Taiwan 30077, ROC.TEL: +886-3-579-0068, FAX: +886-3-579-8934 E-mail: info.tw2高性價(jià)比之 LED 照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案V SENV HV LtV SWONOFFtI Lt圖 3 MBI6661 應(yīng)用電路圖 4 磁滯型脈沖頻率調(diào)變控制方式的波型示意圖支持更高的輸入電壓不同于一般市面上常見(jiàn)的降壓(Buck)型控制器多只支持到最高 40V 的輸入電壓，MBI6661 采用臺(tái)灣集成電路公司(TSMC)先進(jìn)的 60V BCD 制程工藝，將最大支持輸入電壓提升至 60V(最大耐壓超過(guò) 75V)，除了可以完全支持常見(jiàn)的 48V

10、的直流輸出電壓外，更一舉將單一模塊最大支持的輸出功率提升到 60W (60V, 1A 輸出)，相較于目前市面常見(jiàn)方案有 50%的提升。在高輸出功率照明裝置的設(shè)計(jì)上，MBI6661 可以有效減少輸出模塊的使用；同時(shí)在單一模塊內(nèi)允許更多的 LED 串連數(shù)，使均流設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)。 LED顯示屏 液晶模塊 光電顯示 HYPERLINK / / 保護(hù)功能除了常見(jiàn)的過(guò)溫保護(hù)(Over-Temperature Protection)以及欠壓保護(hù)(Under-Voltage Lock-Out)外，MBI6661 同時(shí)內(nèi)建了過(guò)電流保護(hù)(Over-Current Protection)。在 12V/24V 的 M

11、R-16 應(yīng)用中，使用者常發(fā)現(xiàn)在散熱不佳的密閉使用環(huán)境下轉(zhuǎn)換器 IC 容易莫名燒毀，而燒毀時(shí)輸出電流及電壓均無(wú)異常，造成客訴上棘手難解的問(wèn)題。事實(shí)上，蕭特基二極管在高接合溫度(junction temperature)下會(huì)產(chǎn)生熱失控(thermal runaway)，也就是伴隨著高接合溫度下激發(fā)出更多的自由電子導(dǎo)致反向偏壓下的逆向漏電流大幅增加。如下圖 5 所示，對(duì)控制器而言電流偵測(cè)電阻并無(wú)法有效偵測(cè)此一漏電流(虛線所示)，因此最終導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)被過(guò)電流燒毀。圖 5 正常工作電流(實(shí)線)與熱失控電流(虛線)示意圖Macroblock, Inc. 2011Floor 6-4, No. 18, Pu

12、-Ting Rd., Hsinchu, Taiwan 30077, ROC.TEL: +886-3-579-0068, FAX: +886-3-579-8934 E-mail: info.tw3高性價(jià)比之 LED 照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案針對(duì)此一議題，聚積科技在新系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 均內(nèi)建智能型過(guò)電流偵測(cè)裝置，使轉(zhuǎn)換器可以在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)完成逐周期(cycle-by-cycle)的過(guò)電流偵測(cè)，在熱失控發(fā)生的同一切換周期內(nèi)即可偵測(cè)出過(guò)電流發(fā)生，同時(shí)關(guān)閉功率開(kāi)關(guān)藉以達(dá)成過(guò)電流保護(hù)，完全解決電源轉(zhuǎn)換器功率開(kāi)關(guān)在較高工作溫度下容易發(fā)生信賴性失效的問(wèn)題。傳感器 儀器儀表 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 HYPERLINK / /結(jié)論在設(shè)計(jì)一款安全且有效的 LED 照明系統(tǒng)時(shí)，聚積科技推出的 MBI6661 具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)；例如：以磁滯型脈沖頻率調(diào)變技術(shù)提升低負(fù)載時(shí)的效率，連續(xù)導(dǎo)通模式恒流控制可提升 LED 的使用壽命，及提供數(shù)種保護(hù)功能以確保照明系統(tǒng)的安全及可靠性。相較于傳統(tǒng)型的 LED 驅(qū)動(dòng)器，MBI6