LED照明的直流驅(qū)動電路設計方法

1、LED照明的直流驅(qū)動電路設計方法作者：無線電愛好者 日期：2009&522:29:07人氣：1535標簽：作為鹵素燈低壓照明的一種替代技術，LED照明日益流行。與鹵素燈泡不同的是，LED沒有效率低、可靠性差以及使用壽命短等問題的困擾。本文描述了一種在直流照明系統(tǒng)中驅(qū)動大功率LED的新方法，這種解決方案能提供 95%的效率、更長的使用壽命，并能承受更 高的電氣和機械沖擊。同時對采用 ZXSC300系列DC-DC控制器的實際電路設計進行了計 算和分析。在圖1所示的電路中，ZXSC300系列DC-DC控制器驅(qū)動以降壓模式工作的外部開關。表1列出了 12V電源系統(tǒng)的材料清單。通過增加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Q1導通時，電流流過LED、電容C2和電感。當R1兩端的壓降達到Isense引腳的閾值電壓時，Q1關斷 并保持一個固定時間，電感中的能量流過D1和LED。經(jīng)過這個固定時間后，Q1重新導通，如此循環(huán)往復。電路工作原理分析下面對電路的工作原理進行更詳細地分析，以得到電路參數(shù)及與系統(tǒng)設計相關的計算。下面從開關Q1在一個固定時間Ton內(nèi)導通開始分析。ZXSC310將Q1導通直至它在Isense引腳上檢測到19mV電壓(標稱值), 于是達到此

3、閾值電壓時 Q1上的電流為19mV/R1，稱為Ipeak。當Q1導通，電流從電源流出，流過 C1和串聯(lián)LED。假設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，因為 Q1的導通電阻RDS(ON)很小，且R1上的壓降總是小于 19mV。19mV是Q1的關斷閾值電壓，依據(jù)Isense引腳的閾值電壓設置。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，則對于同樣 的峰值電流|PEAK及電源電壓VIN，TON亦較小。請注意，在電感電流上升到IPEAK的過程中，電流流過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（標稱值）, 需要注意的是，如果用該值來計算電流斜坡，則其范圍最小為1.2 g,最大為3.2以為盡量減少傳導損耗及開關損耗，ton不能比toff小太多。過高的開關頻率會造成較高的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撚而這不是一個絕對限制值，這些器件已可在2至3倍該頻率下工作，但轉(zhuǎn)換效率會降低。在toff期間，儲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恰好是電流達到零所需的時間，則 LED中的平均電流將為I peak/2。實際上，電流可能會在 Toff 之前達到零，此時平均電流將小于 Ipeak/2，因為在這個周期里有一段時間 LED的電流為零，這稱為 非連 續(xù)”工作模式。如果經(jīng)過1.7 g后電流沒有達到零

6、，而是下降到IMIN，則稱器件進入連續(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），此時平均LED電流為 I MIN 與 ipeak 的平均值。4 3 10 町 雖種目LED電運與輔入電圧的先黑通過用實際值進行計算，上面的原理可運用于實際電路設計。例如，已知輸岀電壓穩(wěn)定的12V直流電源以及3個功率為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 行設計。該設計可工作在 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，近似認為在整個電流上升與下降期間led正向壓降不變。事實上它會隨電流升高而增大，但這些公式使設計計算的結(jié)果在實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，所以6.2卩的上升時間將基本上取決于這些電壓值。值得注意的是，對于 9.6V的LED正向壓降以及300mV的肖特基二極管正向壓降來說，從680mA下降到零的時間為：由于Toff一般為1.7小所以電流有足夠的時間降到零。然而，盡管1

8、.5卩已相當接近1.7日因為器件的容差，線圈電流可能不能降到零。但這不是什么大問題，因為殘余電流會很小。需要注意的是，由于對峰 值電流的測量及關斷，不可能產(chǎn)生在具有固定ton時間的轉(zhuǎn)換器里發(fā)生的危險的電感階躍”（inductorstaircasing）問題。由于電流可能永遠都不會超過ipeak，所以即使電流從一個有限值開始增長（即連續(xù)模式），也不會超過i peak，于是LED電流將近似等于680mA與0的平均值，即340mA。它并不是嚴格意義上的 平均值，因為有200ns的時間里電流為零，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。電路設計計算在ton

9、期間（假設為非連續(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相對于整個周期時間的比值。Ton + 丁時從上式可看出平均電源電流是如何在較低電壓下隨著ton相對于固定的1.7卩的增加增大。這是符合功率原理的，因為當電源電壓較低時，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儲存在電感中的能量等于從電感轉(zhuǎn)移到LED的能量（假設為非連續(xù)工作模式），為：EQ1因此，當輸入電壓與輸岀電壓的差別變得更大時，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。如果能計算出使電流正好在1.7卩時達到零的電感值L1及峰值電流Ipeak，則LED的功率將不會太依賴于電源電壓，因為此時LED中的平均電流總是近似為| peak/2。隨著電源電壓的增加，達到| 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占整個周期的比例越小，所以較高電源電壓時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使效率降低。例如，假設LED的VF為6V，肖特基二極管的VF為0.3V，則從電感轉(zhuǎn)移過來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，故不會引入損耗，因此整個效率損失比取決于ton與toff之比。對于ton占整個周期的大部分的低電源電壓來說，由肖特基二極管引入的損耗并不大。當LED電壓較高侈個LED串聯(lián)）時，肖特基二極管引入的損耗也不大，因為此時肖特基二極管正向