通用LED驅(qū)動控制器的應(yīng)用

近年來，LED的品種不斷增加，性能逐年提高，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。在大屏幕LCD的背光照明、汽車內(nèi)外照明、公共場所照明、建筑的內(nèi)外裝飾燈照明、城市景點(diǎn)的亮麗工程等方面獲得了很大的發(fā)展。為了達(dá)到更大的亮度及更好的可靠性，1～3W大功率LED逐步被采用。

LED的推廣應(yīng)用促使LED驅(qū)動器相應(yīng)地發(fā)展。在城市中采用市電（220V交流電）來驅(qū)動大功率LED是最方便的。Supertex公司在2005年首先推出HV9921/22/23系列，可用市電來驅(qū)動小功率LED（驅(qū)動電流為20～50mA）。隨著LED的功率增加，Supertex公司又開發(fā)出用市電供電，能輸出1A恒流驅(qū)動電流的LED驅(qū)動控制器HV9910，并在2007年推出了HV9910的改進(jìn)型，型號為HV9910B（HV9910已停產(chǎn)）。它增加了功能及提高了性能，這對大功率LED的推廣應(yīng)用起了良好作用。本文將介紹HV9910B及其應(yīng)用。

特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域
HV9910B是一種通用LED驅(qū)動控制器。它的“通用性”是最大的特點(diǎn)，體現(xiàn)如下。
● 它可以用國際通用的市電（85～265VAC）供電，也可以用12～24VDC(或48VDC)蓄電池或太陽能電池供電；
● 輸入的直流電壓范圍極寬，為8～450V；
● 輸出的恒流驅(qū)動電流范圍極寬，從幾十mA到1A以上，既能驅(qū)動小功率LED，也能驅(qū)動大功率LED；
● 它可以方便地組成降壓式、升/降壓式架構(gòu)，以滿足不同供電電壓的需求；
● 它可以驅(qū)動1個LED到上百個LED；
● 輸出功率從幾W到幾十W。

除了上述通用性特點(diǎn)外，該驅(qū)動控制器還有如下特點(diǎn)。

● 轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)85%～90%；
● 組成的驅(qū)動器電路簡單，外圍元器件少，不僅占PCB面積小，并且生產(chǎn)成本低；
● 內(nèi)部有能輸入450VDC高壓、輸出7.5V的線性穩(wěn)壓器。無須外接降壓電阻，使電路更簡單，并可輸出作模擬調(diào)光電路的電流；
● 有兩種工作模式：恒定頻率模式及恒定關(guān)斷時間（off-time）模式；
● 開關(guān)頻率由用戶設(shè)定（外接一個設(shè)定頻率的電阻RT）；
● 有兩種調(diào)光方式：模擬調(diào)光方式和PWM調(diào)光方式；
● 輸出驅(qū)動電流大小用一個外設(shè)電阻RCS設(shè)定。
該LED驅(qū)動控制器組成的驅(qū)動電路除主要應(yīng)用于市電供電驅(qū)動多個串聯(lián)的大功率LED燈外，同樣也適用于用蓄電池供電的汽車內(nèi)外照明及標(biāo)志燈（轉(zhuǎn)彎、叉車、倒車）或太陽能電池供電的場合（航標(biāo)燈、路燈等）。

除了用于照明外，該LED驅(qū)動器還可用作通用恒流漂及電池充電器方面的應(yīng)用。

封裝與引腳功能

圖1 HV9910B引腳排列

HV9910B有8引腳及16引腳兩種，8引腳的有DIP及SOIC封裝，16引腳的只有SOIC封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表1所示。16引腳中注NC的引腳為空腳。

表1  HV9910B各引腳功能

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SOIC-8DIP SOIC-16 符號 功能
1 1 VIN 工作電壓輸入端8～450VDC
2 4 CS ILED檢測端，外接電流采樣電阻RCS到GND
3 5 GND 電源地，也是內(nèi)部電路的地
4 8 GATE 外接MOSFET開關(guān)的柵極
5 9 PWMD PWM調(diào)光輸入端，也是使能端。此端加高電平時，GATE端輸出高電平，MOSFET導(dǎo)通；此端加低電平時，MOSFET關(guān)斷，無輸出

6 12 VDD 內(nèi)部7.5V穩(wěn)壓電源輸出端，此端接一個低ESR的電容到地（電容量2.2～4.7μF），采用多層陶瓷電容（MLCC）

7 13 LD 模擬調(diào)光輸入端，輸入0～250mV調(diào)光電壓，調(diào)節(jié)LED亮度
8 14 RT 外接開關(guān)管工作頻率設(shè)定電阻RT。恒定頻率模式時，另一端接地；恒定關(guān)斷時間模式時，RT另一端接GATE

主要參數(shù)
HV9910B的主要參數(shù)：輸入直流電壓VIN=8～450V；關(guān)閉模式時（PWMD端加低電平）耗電0.5～1mA；內(nèi)部穩(wěn)壓電源輸出電壓VDD=7.5V±0.25V；欠壓鎖存閾值電壓VUVLO=6.7V（典型值）；PWMD的高電平電壓VEN(H)＞2V、PWMD端的低電平電壓VEN(L)＜0.8V；輸入低頻PWM信號，改變占空比可調(diào)光；電流檢測端（CS）的閾值電壓VCS(TS)=250mV；內(nèi)部消隱電路延遲時間TBLANK=215ns（典型值）；振蕩器頻率fosc取（25～150）kHz；內(nèi)部MOSFET驅(qū)動電流為±165mA；柵級輸出的上升、下降時間典型值為30ns。

兩種工作模式的選擇
HV9910B有恒定頻率模式及恒定關(guān)斷時間兩種模式，選擇何種模式取決于驅(qū)動器的輸出電壓VOUT(VLED)與輸入電壓VIN的比值。在降壓式架構(gòu)中，VIN總是大于VOUT，其比值即占空比D=VOUT/VIN。若D＜0.5時，采用恒定頻率模式；若D＞0.5時，則采用恒定關(guān)斷時間模式。如果在D＞0.5時仍采用恒定頻率模式工作，驅(qū)動器將進(jìn)入次諧波振蕩狀態(tài)，將會引起輸出電流下降及紋波電流增加的不穩(wěn)定狀態(tài)。
采用恒定頻率模式如圖2所示，RT接在RT與GND之間；采用恒定關(guān)斷時間模式時，RT接在RT與GATE之間，如圖3所示。

圖2 恒定頻率工作模式

圖3 恒定關(guān)斷時間工作模式

恒定頻率模式的參數(shù)選擇及計(jì)算
一種市電220VAC供電按、恒定頻率模式工作的LED驅(qū)動電路如圖4所示，該電路不調(diào)光，LD端及PWMD端必須接VDD。有關(guān)參數(shù)及選擇及計(jì)算如下。

1全波整流橋（或整流二極管）的選擇
全波整流橋的耐壓VBRI及正向電流IBRI的計(jì)算公式為
VBRI=1.5(√2 VLINEmax)      （1）
IBRI=VOmax×IOmax/VINmin×η （2）
式中，VLINEmax為最大市電電壓、VOmax為輸出最大電壓、IOmax為輸出最大電流、VINmin是輸入最小直流電壓、η為驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換效率（η一般在0.85～0.9之間）。公式（1）中的1.5是安全系數(shù)。

例如，采用220V市電，有±10%的允差，即VLINEmax= 242VAC，VLINEmix=198VAC，則VBRI=1.5×(√2×242）=513.2V。若VOmax=40V，IOmax=350mA，VINmin=√2 198V，η=0.85，則IBRI=40V×0.35A/√2 ×198×0.85=0.06A。因此可選600V/0.5A的全橋，或選4×4007二極管組成全波整流電路。

2 濾波電容C1的計(jì)算
全波整流后的電壓波形是“饅頭波”，需濾波電容C1作平滑濾波，C1的計(jì)算公式為
  (3)
式中，freq是市電的頻率（freq=50Hz）。
若VOmax=40V，IOmax=0.35A，VLINEmix=198VAC，VINmin=×198V，η=0.85，則帶入式（3）得，C1≥13.9μF。則可取10μF/400V的鋁電解電容器和4.7μF/400V的鋁電解電解并聯(lián)。如果要求驅(qū)動器體積小，則可用1個10μF/400V，其輸出紋波稍大些。

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3 開關(guān)管頻率的選擇
開關(guān)管頻率fosc與電感器的大小有關(guān)，在220V市電供電時，fosc一般取25～150kHz。確定額定頻率的外接電阻RT與fosc關(guān)系為

fosc=25000/[RTkΩ+22](kHz)   (4)

若fosc選100kHz，代入式（4），RT=228kΩ。

4 檢測電流（IOmax）電阻RCS的計(jì)算

RCS與流過LED的電流IOmax（ILEDmax）的關(guān)系式為
RSC=0.25/(1.15×IOmax)(Ω)    (5)

例如，IOmax=0.35A，則代入式（5），得RSC為0.62Ω。

5 電感器L1的計(jì)算
電感器的電感量取決于流過LED的紋波電流。若紋波電流占ILED的30%（±15%），L1的計(jì)算式為
（6）
式中，VLINEnom為輸入交流市電的額定值，即VLINEnom=220VAC。
若VOmax=40V、VLINEnom= 220VAC、IOmax=0.35A、fosc= 100kHz，則L1=3.31mH，可取3.3mH。
電感的峰值電流IP為
IP=IOmax×1.15（A）          (7)
則在IOmax=0.35A時，IP=0.35 ×1.15=0.4A。
在選擇3.3mH電感量時，其飽和電流應(yīng)大于IP×1.3。即飽和電流應(yīng)大于0.4A×1.3＞1.52A。

6 選擇開關(guān)管Q1及續(xù)流二極管D1
開關(guān)管為N溝通功率MOSFET,其最大的耐壓VFET(VDSS)為

VFET=1.5（VLINEmax）(V)      (8)
若VLINEmax=242V，則VFET為513V。

MOSFET最大的漏極電流IFET（ID）=IOmax×(A)                (9)
若IOmax=0.35A，則IFET為0.247A。但在選擇Q1時，其ID要選約為3倍的IFET，即選ID=1A的MOSFET。
為減小開關(guān)管Q1的損耗，應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻RDS(ON)小（一般取RDS(ON)＜1Ω）、柵極電容Qg小的MOSFET，可提高轉(zhuǎn)換效率并可減小散熱片的尺寸。

圖4 外部器件的選取

根據(jù)上述計(jì)算可選擇STD5NM50，其主要參數(shù)為：VDSS=500V、RDS(ON)＜0.8Ω、ID=7.5A，Qg=13nC。
續(xù)流二極管D1的耐壓與VFET相同，其電流IDIODE為
IDIODE=0.5×IOmax（A）       (10)
可選擇600V/1A的快速恢復(fù)二極管，如STTH2R06。其主要參數(shù)：VRRM=600V、IR(AV)=2A、VF=1V、trr=35ns（典型值）。

恒定關(guān)斷時間模式的參數(shù)選擇
這里舉例說明恒定關(guān)斷時間模式的參數(shù)選擇及計(jì)算。輸入時直流電壓，其額定值是12V，允差為+4V、-3V，即VINnom=12V，VINmin=9V，VINmax=16V。負(fù)載為兩個串聯(lián)的1W白光LED，其VF=3.4，即VINmin=4.6V、Vonom=6.8V，Vomax=8V；Iomax= 350mA。期望的效率η=0.85。其電路如圖5所示。

圖5 HV9910B應(yīng)用電路

1關(guān)斷時間tOFF的計(jì)算
關(guān)斷時間tOFF為
tOFF=(1-VOnom/VINnom)×1000/foscnom(μs)                     (11)
式中，foscnom為開關(guān)管頻率的額定值。若foscnom設(shè)為100kHz，則tOFF=4.33μs。

2 RT的計(jì)算
RT的計(jì)算公式為
RT=(tOFF×25)-22(kΩ)       (12)
將tOFF代入式（12）得
RT=(4.33×25)-22=86.25kΩ

3 電感L1的計(jì)算
設(shè)輸出電流中紋波的峰值為30% IOmax，則L1可按下式計(jì)算。
L1=（6.8×4.33）/(0.3×0.35) =280.4μH
可取標(biāo)準(zhǔn)值330μH的電感，其飽和電流取1.3倍IOmax以上，可取330μH/0.6A的電感。

4 電阻RCS的計(jì)算
RCS=0.25/(IOmax+Vonom×tOFF/2L1)(Ω)                           (14)
在本例中，代入已知數(shù)得RCS=0.63Ω。
5 開關(guān)管Q1及續(xù)流二極管D1的選擇
開關(guān)管Q1的耐壓VFET=1.5VINmax，其IFET=IOMAX×。按已知條件代入得VFET=24V、IFET=0.33A。一般選MOSFET的ID＞3IFET,VDSS取大于VFET的N-MOSFET,如FDS8447或FDCS5612。
續(xù)流二極管的耐壓與MOSFET相同，電流可取1A的肖特基二極管1N5819（40V/1A）。
在恒定管段時間工作模式中，開關(guān)管的工作頻率不是恒定的，隨VI、VO的變動而變動，所以設(shè)定的開關(guān)頻率foscnom是個恒定值。

結(jié)語
本文介紹的電路僅僅是個LED驅(qū)動電路，完善的電路應(yīng)有EMI濾波電路及功率因數(shù)校正電路。220V市電的應(yīng)用電路是個非隔離型LED驅(qū)動電路，在試驗(yàn)、調(diào)試、測量時要注意安全，必須關(guān)斷電源（220VAC）后才能更換元器件，以防止觸電！