- 探討恒流LED驅動系統設計方案
- 采用恒流源驅動的方法
- EMI問題方法使用了最小化的濾波元件
隨著高功率LED的出現，LED的使用壽命及電源轉換效率成為設計LED照明系統時的主要考慮因素，基于飛兆半導體FAN100設計出高效率、高穩定性的LED照明系統，首先給出了硬件電路，接著分析了電路的性能，最后進行實驗仿真。從仿真結果可以看出本系統在溫度波動比較大的范圍內比較穩定。
所有發光二極管無論其燈光顏色、尺寸大小或功率有甚不同，只要驅動的電流恒定不變，它們都能充分發揮其性能。發光二極管生產商都會列明產品的規格，例如，數據表上會列出產品在指定正向電流(IF)而非正向電壓(VF)驅動下的流明、光束波形及顏色。發光二極管的亮度隨電流的大小而不同，且制造出來的發光二極管，其電壓與電流曲線稍有差異，因而LED照明的亮度常隨電源電壓的變動而無法穩定。為維持亮度穩定一致，需要發光二極管恒流驅動器來實現。恒流驅動器可以使得發光二極管工作在固定電流模式，因而亮度穩定性高。恒流驅動器也讓發光二極管長期工作在一定電流下，使其維持較長壽命。發光二極管照明優點是節能、安全，但由于恒定電流工作考慮，能耗亦相對增加，因此照明系統設計以低能耗為目標。前面提到恒流驅動器的壓降在2 V以內，即是考慮低能耗的設計，若系統的電源端電壓與串接發光二極管壓降超過2 V以上，則需考慮以電壓轉換器來達到低能耗目標，但仍維持恒定電流工作模式。低能耗的電壓轉換器是以開關式方式工作，依據反饋電路控制開關周期，達到穩定輸出電壓。但為了維持發光二極管恒定電流工作狀態，反饋電路是以輸出電流來控制轉換器開關周期。
目前市場上電源輸入系統為兩類：一類前端為AC電源輸入系統加上后端的電流控制模塊，此類產品包括冷凍柜燈條、室內燈具、路燈、臺燈、MRl6、ARlll等。另一類為交流電源直接輸入系統整合AC／DC轉換器和恒定電流線路，此類產品包括E27和GUl0等燈泡型LED燈、PAR燈、T5和T8LED燈管。
本文采用恒流源驅動二極管發光，發光二極管電流減小時，恒流源電路采集到變化(減小)的電流值，進行放大后，傳輸給控制電路，控制電路對采樣信號進行反相處理，輸出脈沖寬度增大，寬度增大的輸出脈沖驅動功率轉換級的功率管，使得次級輸出電壓增加，這樣，串聯LED兩端的電壓也增大，于是，流過發光二極管的電流也增大，這就維持了發光二極管的電流恒定，同樣，若由于某種原因，使發光二極管的電流增大時，其控制過程相反，采用恒流源驅動的方法，可克服大功率發光二極管管壓降的不一致和因溫度特性較差，管子的電流和發光效率變化的缺點。
1 硬件電路
1．1 FANl00簡介
FANl00是一個初級端調節PWM控制器，以滿足高亮度(high brightness，HB)發光二極管(LED)市場的關鍵性需求。采用內置專有TRUECURRENTTM技術和嚴格的恒壓(constant voltage，CV)范圍，實現最精確的恒流(constant current，CC)控制，而無需使用次級端反饋電路。通過在較寬的電壓范圍內精確恒流，同樣的電路就可以用于數目不同的成串LED，從而提高設計靈活性、縮短上市時間，并延長HBLED的使用壽命。由于這些PSR PWM控制器的高集成度，因此可以節省線路板空間，以配合燈泡外形尺寸不斷縮小的發展趨勢。
FANl00具有專有的節能模式，提供關斷時間調制功能，以線性方式減小輕負載狀況下的PWM頻率。另外，它們還通過減少次級端反饋電路和組件，最大限度地減小功耗(無負載下待機功耗)。
1．2 整體電路
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FANl00說明：1腳為模擬輸入，電流檢測，連接到電流檢測電阻器的峰值電流模式控制恒壓模式，對目前的檢測信號，也提供了輸出電流調節的CC模式。2、6腳為接地端子。3腳為模擬輸出。4腳為模擬輸出，電壓補償。5腳為模擬輸入，電壓端子。7腳為電壓參考。8腳為驅動功率器輸出。
工作過程：跳頻PWM工作模式，對于EMI問題方法使用了最小化的濾波元件。VDD端子(7腳)配備了過電壓保護和與欠壓鎖定，擋脈沖的脈沖電流限制和CC控制確保過流保護。柵極輸出被鉗位在15 V至保護外部MOSFET的過電壓損害，內部過溫保護功能關閉與控制器閉鎖時過熱。啟動電流為10μA，低啟動電流容許具有高電阻和低啟動電阻功率供應控制器的啟動電源。一個1．5 MΩ，0．25 W作為啟動電阻，10μF／25 V是一個交流至DC具有寬輸入范圍電源適配器(100VAC到240VAC)。FANl00內置提供了更好的溫度補償在不同環境恒定的電壓調節溫度。這種內部補償電流是正溫度系數(PTC)的電流，可補償正向壓降二極管的溫度變化，這種變化的原因輸出電壓溫度的升高。
在感覺到整個電流檢測電阻電壓為電流模式控制和脈沖用于由脈沖電流限制。在斜率補償內置改善穩定和防止次諧波振蕩由于峰值電流模式控制。該FANl00有同步，積極，傾斜的斜坡內置在每個開關周期。
FANl00輸出級的BiCMOS工藝是一種快速門驅動程序。盡量減少散熱，提高效率，增強可靠性。輸出驅動器是由內部鉗位15 V的齊納二極管，以保護功率MOSFET晶體管對不想要的過電壓門信號。
過電壓保護，防止造成的損害超過過電壓的條件。當電壓超過28 V時，由于異常條件下，PWM脈沖的低于UVLO電壓下降，禁用，直到在低于28 V，然后重新啟動。過電壓條件通常由于開放的反饋循環。
1．3 實驗仿真
實驗仿真電壓輸入、輸出關系如圖2所示，縱軸為輸出，橫軸為溫度變化，從圖2可以看出，在輸入電壓15 V～17 V之間，可以看出當溫度升高的時候，電壓輸出在下降，因此電路具有較寬的溫度波動范圍。
圖3為電流輸入和溫度關系，當電路輸入電流在75～95之間，輸出電流波動比較小，在這樣的情況下，才可以延長使用LED的使用壽命。
2 總結
本系統可延長LED的使用壽命，在溫度波動比較大的范圍內，保持輸出電壓以及電流的穩定性。這樣可以從電池到LED的DC-DC轉換器既能逐步增加電源電壓到標準的LED的正向電壓，又能逐步降低電源電壓到該正向電壓，并能保持LED的電流不變(用于恒定亮度)。同時整體輸入電流更高時，就需要更大的電感，還需要紋波更小的電流以便將峰值開關電流限制在IC的最大額定電流以下。
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