工程師如何選擇LED恒流源周邊器件

在設(shè)計(jì)LED恒流源時(shí)為保持嚴(yán)格的滯環(huán)電流控制,電感必須足夠大,保證在HO,ON 期間,能向負(fù)載供應(yīng)能量,避免負(fù)載電流顯著下降,導(dǎo)致平均電流跌到期望值以下.

首先,我們來(lái)看一下電感的影響,假設(shè)沒(méi)有輸出電容(COUT)的存在,這樣負(fù)載電流和電感電流完全一致,能更清楚地說(shuō)明電感的影響.下圖給出了在輸入電壓的變化范圍內(nèi),電感值對(duì)頻率的影響.可以看出,輸入電壓對(duì)頻率的影響很大,電感值在輸入低電壓時(shí)對(duì)降低頻率有很大影響.(注:您的不一定是和參考圖完全一樣,我在此只是說(shuō)明問(wèn)題)
 

LED的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲(audible noise,或者microphonic noise).通常白光LED驅(qū)動(dòng)器都屬于開(kāi)關(guān)電源器件(buck、boost 、charge pump等),其開(kāi)關(guān)頻率都在1MHz左右,因此在驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用中是不會(huì)產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲.但是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)的時(shí)候,如果PWM信號(hào)的頻率正好落在200Hz到20kHz之間,白光LED驅(qū)動(dòng)器周?chē)碾姼泻洼敵鲭娙菥蜁?huì)產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲.所以設(shè)計(jì)時(shí)要避免使用20kHz以下低頻段.
 

我們都知道,一個(gè)低頻的開(kāi)關(guān)信號(hào)作用于普通的繞線(xiàn)電感(wire winding coil),會(huì)使得電感中的線(xiàn)圈之間互相產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),該機(jī)械振動(dòng)的頻率正好落在上述頻率,電感發(fā)出的噪音就能夠被人耳聽(tīng)見(jiàn).電感產(chǎn)生了一部分噪聲,另一部分來(lái)自輸出電容. 
 

選擇電感感值大小在參考設(shè)計(jì)范圍左右最多的是您的經(jīng)驗(yàn)值,合適的選擇感值主要需要考慮的條件是線(xiàn)路工作在合適的頻率范圍、合適的開(kāi)關(guān)頻率減少M(fèi)OS開(kāi)關(guān)次數(shù),減少mos發(fā)熱量、避免與同PCB線(xiàn)路同頻干擾;選擇合適的電感內(nèi)阻,內(nèi)阻是電感發(fā)熱的主要因數(shù),從而提高線(xiàn)路效率;選擇合適的電流值,有時(shí)體積和成本是制約主要因數(shù),但是還是要大于峰值電流的2倍(通常在65%),就算在板級(jí)空間十分珍貴的情況下也要保證30%預(yù)留空間余量,這樣可以有效的減小內(nèi)阻,減小發(fā)熱量;質(zhì)量不好、繞制松散電感器件也會(huì)有噪聲;未屏蔽的電感在金屬外殼安裝時(shí)會(huì)發(fā)生線(xiàn)路震蕩頻率改變,從而產(chǎn)生噪聲,這時(shí)需要將電感屏蔽;另外,當(dāng)被屏蔽干擾信號(hào)的波長(zhǎng)正好與金屬機(jī)殼的某個(gè)尺寸接近的時(shí)候,金屬機(jī)殼很容易會(huì)變成一個(gè)大諧振腔,即:電磁波會(huì)在金屬機(jī)殼內(nèi)來(lái)回反射,并會(huì)產(chǎn)生互相迭加.
 

為了獲得最佳的效率,應(yīng)選用鐵氧體磁芯電感器.應(yīng)選擇一個(gè)能夠在不引起飽和的情況下處理必須的峰值電流的電感器,確保該電感銅線(xiàn)低的DCR(銅線(xiàn)電阻).以便減小I2R功耗.切記電感銅線(xiàn)絕緣層耐不了160度或長(zhǎng)時(shí)間高溫溫度環(huán)境,SMT有時(shí)也會(huì)有影響,會(huì)使得電感感值發(fā)生嚴(yán)重變化,要仔細(xì)了解供應(yīng)商產(chǎn)品溫度忍耐限度要求.

EMC電感選擇:
 

EMC電感用在輸入和輸出過(guò)濾器可以用來(lái)減少傳導(dǎo)干擾,用于低于EMC標(biāo)準(zhǔn)的限制設(shè)計(jì).所有的電感器都需要鐵粉磁心而非鐵氧體.在它飽和前,可以處理更大電流,需要依據(jù)負(fù)載選擇合適的電流值.
 

制作濾波電感,選用何種磁心材料,除了必須注意防止磁心飽和問(wèn)題外,還必須考慮到磁心的恒磁導(dǎo)特性.需要指出,有些設(shè)計(jì)人員往往只注意電感量的指標(biāo),選擇磁導(dǎo)率高的材料,以減少線(xiàn)圈的匝數(shù),而對(duì)于電感額定電流較大時(shí),電感量是否減少,減少到什么程度,會(huì)不會(huì)達(dá)到飽和,考慮較小.這是應(yīng)該注意避免的.
 

由于鐵粉心具有飽和磁通密度高,恒磁導(dǎo)特性好,價(jià)格便宜,而得到了廣泛應(yīng)用. [!--empirenews.page--]

輸出可同時(shí)使用輸出電容以達(dá)到目標(biāo)頻率和電流的精確控制.電容能在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)減小頻率,一個(gè)小的 4.7μF 的電容就能顯著減小頻率.電流的調(diào)整也能因?yàn)殡娙葜档脑黾佣玫礁纳?從下面圖片可以很容易看到,圖上存在一個(gè)拐點(diǎn),再增加電容值,對(duì)操作頻率和輸出電流的調(diào)整影響不大.

 

增加輸出電容(COUT),從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),是增加了輸出級(jí)所能儲(chǔ)存的能量,也就意味著能供應(yīng)電流的時(shí)間加長(zhǎng)了.因此通過(guò)減慢負(fù)載的di/dt 瞬變,頻率顯著減小.有了輸出電容(COUT)之后,電感的電流將不再和負(fù)載上看到的電流保持一致.電感電流仍將是完美的三角形的形狀,負(fù)載電流有相同的趨勢(shì),只不過(guò)所有尖銳的拐角都變得圓滑了,所有的峰值明顯減小,如下圖所示.

 

應(yīng)用設(shè)計(jì)在輸出端上采用低ESR(等效串聯(lián)電阻)陶瓷電容器,以最大限度的減小輸出波紋.采用X5R或X7R型材料電介質(zhì),這是與其它電介質(zhì)相比,這些材料能在較寬的電壓和溫度范圍內(nèi)維持其容量不變.對(duì)于大多數(shù)高的電流設(shè)計(jì),采用一個(gè)4.7至10uF輸出電容就足夠了.具有較低輸出電流的轉(zhuǎn)換器只需要采用一個(gè)1至2.2uF的輸出電容器. [!--empirenews.page--]

輸入電容器的選擇:

 

一般在驅(qū)動(dòng)IC輸入設(shè)置一顆電容,主要是解決線(xiàn)路開(kāi)關(guān)頻率對(duì)供電部分的EMI問(wèn)題.有時(shí)大家會(huì)誤認(rèn)為是電源濾波而設(shè)置,事實(shí)并非這樣.因其整流二極管廣泛使用,價(jià)格變得非常低廉而穩(wěn)定,集成到IC內(nèi)部沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì),所以大多將整流濾波部分不予整體考慮.
 

如果采用電解電容提供了附加的旁路或輸入電源阻抗很低,則采用一顆較小的價(jià)格低的Y5V電容器也會(huì)有很好的效果.一般恒流器件會(huì)有非?？斓纳仙拖陆禃r(shí)間的脈沖從輸入電源吸收電流.輸入電容器未了減小輸入端的合成電壓紋波,并強(qiáng)制該開(kāi)關(guān)電流進(jìn)入一個(gè)嚴(yán)密的本機(jī)環(huán)路,從而最大限度的減低EMI.輸入電容在開(kāi)關(guān)頻率條件下必須具有低阻抗,以高效的完成這項(xiàng)工作,而且,它必須具有一個(gè)足夠的額定紋波電流.通常紋波電流不會(huì)大于負(fù)載電流的1/2倍.
 

陶瓷電容器小尺寸和低阻抗(低的等效串聯(lián)電阻或ESR)特征而成為優(yōu)選方案.低的ESR產(chǎn)生了非常低的電壓紋波,與數(shù)值相同的其它電容器類(lèi)型相比,陶瓷電容器能夠處理更大的波紋電流.應(yīng)選用X5R或X7R型介質(zhì)陶瓷電容器.可以選用參考值多于1/3容值的電解電容器代替,但是體積和壽命等因數(shù)并不是很合適與LED匹配.鉭電容會(huì)因浪涌電流過(guò)大易出現(xiàn)故障,也不建議在此使用.

肖特基二極管選擇:
 

通常開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換型LED恒流驅(qū)動(dòng)IC在mos管關(guān)斷期間傳到電流,所選擇二極管反向耐壓要針對(duì)線(xiàn)路最高輸出電壓脈沖值來(lái)確定,要大于這個(gè)值.二極管的正向電流不必與開(kāi)關(guān)電流限值相等.流經(jīng)二極管的平均電流是If是開(kāi)關(guān)占空比的一個(gè)函數(shù),因此應(yīng)選擇一個(gè)正向電流IF=I*(1-D)的二極管.通常二極管在功率開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)傳到電流占空比通常小于50%,選擇電流值與驅(qū)動(dòng)電流相等即可.如果需要采用PWM調(diào)節(jié)灰度,則需要考慮PWM低電平期間來(lái)自輸出的二極管泄漏(有氣在熱點(diǎn)上),這一點(diǎn)或許也很重要.
 

升壓型轉(zhuǎn)換器中的輸出二極管在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間流過(guò)電流,二極管要承受反向電壓等于穩(wěn)壓器輸出電壓.正常的工作電流等于負(fù)載電流,峰值電流等于電感峰值電流.
 

Id(二極管電流)=Il(電感電流)=(1+X/2)*Iout(最大電流)/1-Dmax
 

二極管消耗功率為:
 

Pd=Iout(最大)*Vd
 

保持較短的二極管引線(xiàn)長(zhǎng)度并遵循正確的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)布局,以免振鈴過(guò)大和功耗增大.耐壓不是越高越好,是要合適,高耐壓肖特基二極管Vf值也會(huì)高些,功耗會(huì)大,價(jià)格也會(huì)高.相對(duì)耐壓大電流的型號(hào)Vf值會(huì)低些,成本也會(huì)稍有增加,沒(méi)有成本壓力可以考慮.