電源斬波調(diào)光控制boost LED驅(qū)動器保持小浪涌電流

  本文介紹的LED驅(qū)動器參考設(shè)計為一串正向偏壓高達60V的LED提供700mA恒流驅(qū)動。本設(shè)計可基于電源斬波進行PWM調(diào)光。輸入電源以300Hz至1kHz的頻率斬波控制通、斷，實現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)。驅(qū)動器采用固定頻率進行boost轉(zhuǎn)換器，由MAX16834 LED驅(qū)動器控制。這種獨特的參考設(shè)計能夠?qū)⑤斎肜擞侩娏飨拗圃诳梢院雎缘乃剑也挥绊戄斎?、輸出濾波。文章給出了設(shè)計原理圖和測試結(jié)果。

引言
   LED照明的主要優(yōu)勢是可以采用各種不同的調(diào)光技術(shù)準確控制LED光源的輸出。由于LED為高效光源，也可以通過調(diào)光節(jié)省功耗?？刂普彰鲝姸冗€有助于調(diào)節(jié)不同的環(huán)境氣氛。

   由于多方面原因，PWM調(diào)光首選模擬調(diào)光。許多應(yīng)用中，PWM調(diào)光有助于保持光輸出的色彩，與亮度等級無關(guān)。對于電路設(shè)計，PWM控制更有利于噪聲抑制；控制信號需要具有精確的電壓和調(diào)光頻率，驅(qū)動器電路設(shè)計也不能過于復(fù)雜。PWM調(diào)光除了兩條電源線之外，通常還需要一條承載PWM調(diào)光信號的控制線。然而，這種標準配置對于大量采用共用調(diào)光器的照明系統(tǒng)是個缺點，也很難替代基于電源斬波進行調(diào)光控制的2線電源裝配白熾燈。

   采用電源調(diào)光的傳統(tǒng)LED驅(qū)動電路存在很多問題。這些驅(qū)動器在輸入濾波電容放電到最低工作電壓時，將逐漸關(guān)閉LED電源。該過程會造成輸入和輸出濾波電容放電到最低電平。再次打開電源時，浪涌電流重新補充電容電荷，從而造成EMI問題及調(diào)光器損壞。為避免這些問題，電路不得不采用大電感濾波器，從而增加了成本。

  本文討論的LED驅(qū)動器參考設(shè)計采用PWM調(diào)光，解決了這些基本問題。該LED驅(qū)動器采用斬波PWM調(diào)光，不會造成任何電源電流過沖。該設(shè)計具有高達90%的效率，工作在24V。允許單向電源輸入，輸入端有一個MOSFET半橋，圖1所示為設(shè)計電路板的頂層。

圖1. 參考設(shè)計電路板(頂視圖)。電路板尺寸為23mm x 138mm，雙層，僅頂層有元件。

   LED驅(qū)動器參考設(shè)計采用boost轉(zhuǎn)換器拓撲，以固定電流驅(qū)動LED負載。由于LED正向偏壓總是高于輸入電壓，所以選擇boost拓撲。MAX16834提供了以高效PWM調(diào)光實現(xiàn)boost LED驅(qū)動器所需的全部特性。利用MAX16834還可以輕松實現(xiàn)其它常見拓撲，例如buck-boost、SEPIC或高邊busk。

圖2. MAX16834參考設(shè)計原理圖。[!--empirenews.page--]

   圖2所示為LED驅(qū)動器應(yīng)用電路原理圖。為了實現(xiàn)單向電源輸入，在輸入端提供一個橋式整流器。橋式整流器采用兩個二極管、雙MOSFET (N溝道)配置，減小輸入橋上的壓降和功耗。二極管D3和D4沒有采用P溝道MOSFET代替，因為這種配置會造成輸入電容在PWM關(guān)閉(電源關(guān)閉)期間放電，從而產(chǎn)生較大的浪涌電流。由L3、C4、L4、C6、C7和C8組成的輸入濾波器將輸入電流中的開關(guān)頻率分量限制到最低值。PWM調(diào)光期間，利用電解電容進行輸入和輸出濾波，避免任何可聞噪聲——大陶瓷電容的一個缺點。

   Boost LED驅(qū)動器工作在250kHz連續(xù)傳導(dǎo)模式，選擇30%的電流峰峰值作為電感紋波電流。減小電感電流紋波可提高效率、減小噪聲，并穩(wěn)定電流控制環(huán)路，但也隨之降低了系統(tǒng)帶寬，因為右半平面零點頻率降低了。對于常規(guī)LED驅(qū)動器，降低帶寬會影響PWM調(diào)光。MAX16834采用特殊的反饋拓撲，有效解決了這一問題，所以具有同類產(chǎn)品最佳的PWM調(diào)光響應(yīng)，不會影響穩(wěn)定性。

   Boost轉(zhuǎn)換器輸出(也就是LED+節(jié)點)，以驅(qū)動器地為參考，連接至LED串的陽極。LED陰極通過調(diào)光MOSFET Q4及LED電流檢測電阻R9連接至地。Q4在PWM調(diào)光期間打開、關(guān)閉。R9為MAX16834提供LED電流信息，通過控制boost轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)LED電流。

欠壓鎖定(UVLO)
  電源電壓(VIN節(jié)點)高于21V時，LED驅(qū)動器打開。這確保優(yōu)化于最小電源輸入的轉(zhuǎn)換器在輸入電壓穩(wěn)定之前不會啟動。濾波電容C16濾除造成UVLO意外觸發(fā)的噪聲尖峰。

斜率補償
   由于該驅(qū)動器使用的boost轉(zhuǎn)換器工作在CMM模式，占空比高于50%，內(nèi)部電感電流控制環(huán)路會不穩(wěn)定，引起次級諧波振蕩，必須采用斜率補償。SC引腳和地之間的電容C15為電流檢測波形增加了必要的斜率，用于斜率補償。關(guān)于斜率補償電容設(shè)計的詳細信息，請參考MAX16834數(shù)據(jù)資料。

 反饋補償
  由boost拓撲、CMM工作模式、輸出濾波電容產(chǎn)生的輸出極點、LED動態(tài)阻抗和LED檢流電阻構(gòu)成的電源電路(boost轉(zhuǎn)換器)的傳輸函數(shù)在右半平面有一個零點。COMP引腳和地之間的R5、C13和C7組成的反饋補償網(wǎng)絡(luò)在原點引入極點，在輸出極點頻率處又引入了一個零點和一個高頻極點。

  補償零點抵消了輸出極點，將系統(tǒng)增益頻率響應(yīng)特性維持在-20dB/十倍程。系統(tǒng)的總環(huán)路增益應(yīng)在1/5右半平面零點頻率處以-20dB/十倍程的斜率通過0dB，確保系統(tǒng)穩(wěn)定并留出足夠的相位裕量。補償電阻設(shè)置高于補償零點頻率的誤差放大器增益，從而滿足上述穩(wěn)定條件。補償電容C11引入頻率為開關(guān)頻率一半的極點，對高頻分量和噪聲進行衰減。關(guān)于反饋補償設(shè)計的詳細信息，請參考MAX16834數(shù)據(jù)資料。

 電源斬波PWM調(diào)光
   本設(shè)計中使用電源斬波PWM調(diào)光：減少了一條用于調(diào)光信號的輸入線，在當(dāng)前的調(diào)光設(shè)計中允許使用電源斬波。常見的直流調(diào)光器電路通過在電源輸入與LED驅(qū)動回路上采用N溝道MOSFET，使其在調(diào)光控制下交替導(dǎo)通和關(guān)閉，達到調(diào)光的目的。該設(shè)計交替切斷同給LED驅(qū)動器的電流，使接地輸入端懸空。

  為了在調(diào)光器再次打開時將浪涌電流抑制到可以忽略的水平，LED驅(qū)動器的濾波電容應(yīng)在整個PWM關(guān)斷期間保持其電荷。只要補充少量電荷，即可使電容電壓恢復(fù)到正常水平，不會引起任何浪涌電流。該LED驅(qū)動器在PWM調(diào)光期間快速檢測電源切斷的時間，然后關(guān)閉LED電流。PWM關(guān)斷時，電阻R13和R15對輸入電容放電，DIM引腳變?yōu)榈碗娖?，電路在任何輸入電源方向都工作在相同方式。DIM引腳的低電平通過關(guān)閉調(diào)光MOSFET Q4立即切斷LED電流。[!--empirenews.page--]

  DIM輸入禁用時，由于boost轉(zhuǎn)換器也關(guān)閉，MAX16834消耗非常低的功耗；無需等待反饋響應(yīng)。同時，誤差放大器輸出端的開關(guān)保持在最終穩(wěn)定反饋的狀態(tài)，典雅儲存在補償電容C13和C11。電源輸入下次打開時，誤差放大器輸出馬上跳至之前的穩(wěn)定狀態(tài)，使LED電流立即達到設(shè)定值。

 過壓保護(OVP)
   LED開路條件下，boost轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會達到不安全的水平，需要采取一些保護措施。MAX16834采用OVP保護：如果OVP引腳電壓升高至1.435V以上，boost轉(zhuǎn)換器關(guān)閉。一旦OVP引腳電壓下降到下限以下，boost轉(zhuǎn)換器重新啟動。這種重啟特性使LED重新連接時立即使能LED電流，濾波電容C10確保OVP不會由噪聲觸發(fā)。

測試結(jié)果
圖3至圖8所示為該參考設(shè)計的測試結(jié)果。

圖3. 啟動時相對于地的LED電壓。


圖4. LED電壓紋波(LED+電壓)。[!--empirenews.page--]


圖5. 開路LED OVP (LED+電壓)。


圖6. 在電阻R9 (150mΩ)上測得的LED電流及斬波后的輸入電源。


圖7. 輸入電源電流：在0.1Ω電阻上測得。



圖8. PWMDIM引腳電壓。

 上電步驟
采用以下步驟為參考設(shè)計電路板上電。

  將正向偏壓介于50V和60V之間、電流額定值為700mA至1A的LED串連接至電路板上的LED+和LED-端子。
將額定值0至30V、最小3A的電源連接至ACIN1和ACIN2，方向任意。
將電源電壓逐漸增大至22V。在大約21V時，轉(zhuǎn)換器應(yīng)啟動工作，LED串電流驅(qū)動至700mA。
為了啟動PWM調(diào)光，電源通過100Hz至1kHz頻率的時鐘，以適當(dāng)?shù)恼伎毡冗M行斬波。
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