150W多串LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

多串LED線路廣泛應(yīng)用于路燈、洗燈和其他一般照明產(chǎn)品。一般解決驅(qū)動(dòng)多串LED線路的方法是使用多通道線性電流穩(wěn)壓器。使用線性電路的方法后，穩(wěn)壓器就沒(méi)有產(chǎn)生電磁干擾的問(wèn)題了。和使用個(gè)別LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)每個(gè)LED線路的方法比較起來(lái)，多通道解決方案可以提供較好的串對(duì)串電流準(zhǔn)確度，也比較容易檢測(cè)與發(fā)現(xiàn)LED線路的故障。線性電流穩(wěn)壓器是一個(gè)直流電源輸入裝置，可以是一個(gè)交流/直流的轉(zhuǎn)換器，或是一個(gè)直流/直流的轉(zhuǎn)換器。如果電源是直流電，電壓遠(yuǎn)低于LED線路的順向電壓，我們就會(huì)使用到升壓轉(zhuǎn)換器。本文將介紹使用升壓轉(zhuǎn)換器和線性電流穩(wěn)壓器的4串LED線路、150瓦的LED驅(qū)動(dòng)器。表1所示為其設(shè)計(jì)的規(guī)格。

電路概述

圖1所示為一個(gè)150瓦LED驅(qū)動(dòng)器的方塊圖。由圖可看出其為升壓轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)LM3430的控制器，控制器電源來(lái)自18～24V的直流系統(tǒng)軌電壓(VRAIL)，用以供應(yīng)LED線路。LED電流受到一個(gè)4通道線性電流穩(wěn)壓器LM3464調(diào)節(jié)。動(dòng)態(tài)余量控制(Dynamic Headroom Control， DHC)方法會(huì)被執(zhí)行以求達(dá)到最大的效率。這主要是包含到從LM3464到LM3430的訊號(hào)迴授，為了讓電力損失最小化，LM3430就會(huì)適度地調(diào)整系統(tǒng)軌電壓到最小值。在LED電源開(kāi)啟時(shí)，LED的順向電壓因溫度升高而慢慢降低(以分鐘計(jì))并減少運(yùn)行中的軌電壓，這樣就能夠有效降低電流穩(wěn)壓器的電力損失，也因此提升整體效能。

線性多串LED驅(qū)動(dòng)器

圖2所示為由LM3464執(zhí)行的四通道線性電流穩(wěn)壓器圖解，每個(gè)LED線路都是由系統(tǒng)軌電壓供電動(dòng)，也連接著它相應(yīng)的線性電流穩(wěn)壓器(1～4通道)。這是由金氧半場(chǎng)效晶體管(Q1～Q4)和一個(gè)感測(cè)電阻器(RSNS1到RSNS4)所組成。金氧半場(chǎng)效晶體管由LM3464控制，使得感測(cè)電阻器上的跨壓因而下降，被調(diào)節(jié)到0.2V，從而調(diào)節(jié)LED電流。

LM3464電路主要設(shè)計(jì)的元件是迴授電阻器電路RFB1、RFB2和RDHC，這和VRAIL(nom)的電壓準(zhǔn)位VDHC_READY、VLED和VRAIL(peak)有關(guān)，如圖3的啟動(dòng)波形所示。在啟動(dòng)時(shí)，LM3430在LM3464之前啟動(dòng)，以執(zhí)行升壓轉(zhuǎn)換器，同時(shí)將 VRAIL調(diào)節(jié)至VRAIL(nom)。在這段期間沒(méi)有動(dòng)態(tài)余量控制因?yàn)長(zhǎng)M3464還沒(méi)啟動(dòng)。其次當(dāng)CDHC 的電壓(一個(gè)電容器從LM3464的CDHC引線連接到地面)到達(dá)5.55V時(shí)，LM3464將VRAIL提高到VDHC_READY，這是一個(gè)高到足以開(kāi)啟LED線路的電壓。

之后，動(dòng)態(tài)余量控制就會(huì)啟動(dòng)，將VRAIL調(diào)節(jié)至VLED，能以最小電壓開(kāi)啟所有LED線路以獲得最大的效率。因此，VRAIL(nom)和VDHC_READY的設(shè)計(jì)值是參考VLED，足以支援VLED的差異。在本文中，VLED是39V，VRAIL(nom)和VDHC_READY分別被設(shè)計(jì)成30V和42V。最后，當(dāng)LM3464的OutP引線連接地面發(fā)生短路時(shí)，VRAIL(peak)會(huì)產(chǎn)生最大值的VRAIL。VRAIL(peak)也可能是最高的VRAIL，讓升壓轉(zhuǎn)換器能夠輸出。因此，升壓轉(zhuǎn)換器必需能夠輸出VRAIL(peak)，而不超過(guò)輸出額定電壓。在本文中，VRAIL(peak)是設(shè)定在45V，所以額定電壓是50V的輸出電容器都可以使用。

主要元件的設(shè)計(jì)

下列步驟是主要元件的選擇細(xì)節(jié)，包括RFB1、RFB2、RF1、RF2、 RDHC，也涉及VRAIL(nom) 、VDHC_READY、VLED、VRAIL(peak)。

RFB1和RFB2：藉由LM3430透過(guò)VDHC接腳流入電流，LM3464提高了VRAIL，直到VLedFB接腳的電壓到達(dá)2.5V時(shí)，VRAIL會(huì)達(dá)到42V的VDHC_READY。迴授電阻器RFB1和RFB2分別被設(shè)計(jì)成57.6k?和3.65k。

RF1和RF2：當(dāng)VRAIL(nom)是30V時(shí)，從LM3430上FB接腳的電壓會(huì)被調(diào)節(jié)至1.25V，而迴授電阻器RF1和RF2分別被設(shè)計(jì)成1.91k?和44.2k。

RDHC：RDHC的值可以根據(jù)VRAIL(peak)來(lái)定義，在本文中，VRAIL(peak) 是45伏，RDHC是1.7kΩ。

電流偵測(cè)電阻器： 流過(guò)感測(cè)電阻器的電流，電阻器的跨壓時(shí)被調(diào)節(jié)成0.2V。在本文中，LED的電流是1A，所以感測(cè)電阻器被設(shè)計(jì)成0.2Ω(=0.2V/1A)。

升壓轉(zhuǎn)換器

圖4所示為L(zhǎng)M3430所執(zhí)行的升壓轉(zhuǎn)換器圖解，以下是選擇主要元件細(xì)節(jié)的說(shuō)明。

電感器選擇：對(duì)于一個(gè)24V典型的輸入電壓來(lái)說(shuō)，藉由動(dòng)態(tài)余量控制的方法能將VRAIL調(diào)節(jié)至VLED為39伏，經(jīng)計(jì)算后的輸入電流和負(fù)載比率是6.5A和38.5%。常見(jiàn)的選擇有電感器電流波ILripple，是一般電感器電流的30%，就是1.95A。300kHz的開(kāi)關(guān)頻率，即時(shí)ton是1.28μs。因此可以得出計(jì)算的電感值為15.7μH，標(biāo)準(zhǔn)值15μH會(huì)被選定。另一方面，當(dāng)輸入的電壓最小時(shí)(18V)，輸入的電流是最大，也就是8.67A?？紤]到效率問(wèn)題時(shí)，實(shí)際輸入的電流可能比計(jì)算值大很多。我們應(yīng)該選擇有高飽和電流和低等效串聯(lián)電阻。

金氧半場(chǎng)效晶體管和二極管：金氧半場(chǎng)效晶體管和二極管的額定值視其開(kāi)啟電流而定，這和輸入電流最大值有關(guān)。在150瓦輸出電源的情況下，電源功耗很大，所以需要一個(gè)好的散熱器。

輸出電容器和濾波器：輸出電容器控制著升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓漣波。這也和調(diào)光期間輸出電壓的暫態(tài)回應(yīng)有關(guān)，應(yīng)選擇具負(fù)載變化的升壓轉(zhuǎn)換器。這邊選用了470μF的電容器。為了進(jìn)一步減少軌道電壓的漣波，我們也選用一個(gè)2.2μF的陶瓷電容器和一個(gè)LC濾波器。當(dāng)VRAIL(peak) 為45V時(shí)，輸出電容器的額定電壓大于50V。最后我們會(huì)應(yīng)用LC濾波器以進(jìn)一步減少VRAIL的電壓漣波。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)：由R1、C1組成的一個(gè)主導(dǎo)極點(diǎn)，和一個(gè)內(nèi)部運(yùn)算放大器被設(shè)計(jì)成閉迴路循環(huán)。閉迴路的直流電增益為40dB，這是高到足以讓VRAIL獲得一個(gè)小穩(wěn)態(tài)誤差的狀況。此外，穩(wěn)態(tài)誤差同時(shí)可經(jīng)由動(dòng)態(tài)余量控制達(dá)到最小化。截止頻率被設(shè)計(jì)成5kHz。這是在LED調(diào)光期間，在暫態(tài)負(fù)載的情況下所獲得很好的暫態(tài)回應(yīng)。

測(cè)量結(jié)果

圖5、6所示為升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的波形，和當(dāng)輸入電壓是18V與24V時(shí)LED的總電流。我們也能看到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)中穩(wěn)定波形和良好調(diào)節(jié)的LED電流。圖7所示為24V輸入電壓在調(diào)光期間的表現(xiàn)。在升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓中，我們能得到良好的暫態(tài)回應(yīng)(正負(fù)尖峰期值小)，而且LED電流在調(diào)光訊號(hào)的應(yīng)用下可以快速反應(yīng)。表2為此有效率的方法的總結(jié)。在152瓦輸出電源情況下，整體的效率達(dá)到90%左右。