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基于一种长串LED高性价比的驱动方案设计-技术方案

发布时间:2019-11-22 15:03:03 人气:

基于一种长串LED灯珠高性价比的驱动方案设计 ?                   

   本参考设计用于为长串LED灯珠提供高压boost电流源,长串LED灯珠的应用不仅限于路灯和停车场照明。长串LED灯珠允许采用高性价比的LED灯珠驱动方案,另外,由于各个LED灯珠具有相同电流,可以很好地控制亮度变化。本设计采用24V输入,可提供高达75V的LED灯珠驱动输出,可驱动1.5A LED灯珠灯串(或多串并联)。测量到的输入功率为115.49W,输出功率为111.6W,具有96.6%的效率。    图2. LED灯珠驱动器原理图    图3. LED灯珠驱动器布局  基于一种长串LED灯珠高性价比的驱动方案设计  PCB  MAX16834 boost设计的印制电路板(PCB)采用通用的两层板(图1和图3)。有些PCB功能要求为可选项,测试时并没有组装这些电路,原理图(图2)中将其标注为“no-pop”。电路板在IC下方布设接地岛,通过单点连接至功率地,以确保低噪声特性。由于很多路灯生产厂商没有适当焊接设备焊接其它形式的封装,例如TQFN封装,因此本设计采用了TSSOP封装IC。图4给出本设计的材料清单。   图4. 材料清单   图5. 设计表格提供了MOSFET和电感的峰值电流和RMS电流。  拓扑  设计采用工作在200kHz连续模式的boost调节器。图5所示表格给出了MOSFET和电感的RMS电流和峰值电流。连续模式设计能够保持较小的MOSFET电流和电感电流。然而,由于MOSFET (Q1)导通期间电流流过输出二极管(D2),输出二极管的反向恢复损耗较大,并可能导致更大的关断噪声。从图6电路波形可以看出,占空比为69%时,MOSFET的导通时间大约为3.4μs,关断时间大约为1.5μs。一旦MOSFET关断,漏极电压将上升到输出电压与肖特基二极管压降之和。    图7. 输出电压(交流耦合)和开关MOSFET检流电阻的电压MOSFET驱动  由于采用连续模式设计,MOSFET和电感峰值电流低于工作在非连续模式下的数值。但是,由于在导通和关断期间都有电流流过MOSFET,MOSFET在两次转换期间存在较大的开关损耗。MAX16834以足够强的驱动能力使MOSFET在5ns内完全导通,在10ns内完全关断(图8和图9),保持较低的温升。如果设计中存在EMI问题,则改变MOSFET栅极的串联电阻R5,以调整开关时间。如果这一变化引起功耗过大,可以增加另一个MOSFET Q2,与Q1并联,以降低温升。    图9. 漏极电压下降时间  输出电容  驱动器的输入和输出电容可以采用陶瓷电容。陶瓷电容具有更小尺寸,工作更可靠,但容值有限,尤其是在设计中要求200V的额定电压。图5中,设计表格显示驱动器需要一个5.4μF电容以满足输出纹波电压的要求;为降低成本和空间,本电路采用4个1.2μF电容(共4.8μF)。输出电压开关纹波为2.88V (图10和图11),纹波电流为182mA,是输出电流的12%,略大于10%目标参数,但仍然能够满足要求。    图11. LED灯珠电压(交流耦合)和MOSFET检流电压  调光  MAX16834提供很好的调光。当PWMDIM (第12引脚)为低电平时,将发生三个动作:,开关MOSFET Q1的栅极驱动(NDRV,第15引脚)变为低电平,避免额外的能量传送到LED灯珠串;第二,调光MOSFET Q4的栅极驱动(DIMOUT,第20引脚)变为低电平,降低LED灯珠串电流并保持输出电容电压固定;,为保持补偿电容处于稳态电压,COMP (第5引脚)变为高阻态,以确保IC在PWMDIM返回高电平时立即以正确的占空比启动。每个动作都允许极短的PWM导通时间,因此可提供较高的调光比。  缩短导通时间主要受限于电感的充电时间,参见图12和图13,可以看到电流能够很好地跟随DIM脉冲。在电流脉冲的起始位置有衰减,主要是由于电感电流的爬升(大约12μs或2–3个开关周期)。观察波形,可以看出需要大约40μs至50μs的时间电压才能完全恢复并建立。如果DIM导通脉冲小于50μs,输出电压将在下个关断脉冲的起始处没有足够的时间。在提高DIM占空比之前,将一直持续这种现象。因此,满载(1.5A)时,DIM导通脉冲不应低于50μs。这意味着100Hz DIM频率下,调光比为200:1。降低导通脉冲的途径是提高输出电容,这将提高系统的成本,而且在通用照明中并不需要。如果降低LED灯珠电流,导通时间可随之降低,调光比增大。陶瓷电容表现为压电效应,调光期间会出现一定的音频噪声。不过,通过适当电路板布局,可以地降低噪声。   图13. 大约50μs的调光脉冲  OVP  图14中,LED灯珠串开路,MAX16834的过压保护(OVP)电路在重新启动之前将首先关断驱动器400ms。因为输出电容较小,电感储能可能产生的过冲,因此采用了107V峰值电压设置(高于83V设计值)。  电路调整及其它输入、输出  R15是线性数字电位器,可以在0A至1.7A之间任意调节LED灯珠电流。MAX16834具有一个输入(SYNC),用于同步控制器的开关频率。UVEN输入允许外部控制驱动器(通/断)。REFIN输入端的低阻信号源可以优先于电位器设置,控制驱动器电流。例如,微控制器经过缓冲的DAC可以通过REFIN直接控制LED灯珠电流。出现故障(例如OVP)时,FLT#输出低电平。一旦解除故障,信号变为高电平,该信号并不闭锁。  温升  测量效率为96.63% (VIN = 24.01V、I_IN = 1.49A、PIN = 115.49W、VLED灯珠 = 74.9V、I_LED灯珠 = 1.49A、POUT = 111.60W)。由于电路的频率较高,驱动器元件并不发热。温度的元件为调光MOSFET Q4,温升大约41°C。这一温升是由于小尺寸PCB布局造成的,可以通过增大漏极附近的覆铜面积改善。电感尺寸较大,具有23°C的温升,高于预期的7°C (图15)。电感似乎吸收了部分MOSFET热量,因为它们共用大面积覆铜焊盘。  温度测量  以下温度是在实际LED灯珠负载测试中得到的:  VIN:24VDC  Ambient:16°CΔT  L1:39°C23°C  D1:51°C35°C  Q1:51°C35°C  Q3:57°C41°C  IC:33°C17°C  上电步骤  在LED灯珠+和LED灯珠-之间连接多20只串联LED灯珠,同时串联安培表以测量电流(注:如果LED灯珠的正向导通电压完全匹配并且/或者增加串联均衡电阻,可以采用并联架构)。  在VIN和GND之间连接24V、6A电源。  在连接器J2插入短路器。  打开24V电源。  调节R15将电流设置为0至1.5A。  如果需要调光,则在DIM IN和GND之间连接PWM信号(0V至3.3V)。  按照上述内容调节PWM占空比,实现调光。  基于一种长串LED灯珠高性价比的驱动方案设计  图14. LED灯珠串开路OVP  基于一种长串LED灯珠高性价比的驱动方案设计  图15. 预测电感的温升。计算器来自Coilcraft提供的设计支持工具。  这些长串LED灯珠被广泛用于路灯和停车场照明。本参考设计采用MAX16834构建112.5W boost LED灯珠驱动器,用于驱动长串LED灯珠。  输入电压:24VDC ±5% (1.49A)  VLED灯珠配置:两串并联,每串由19只WLED灯珠组成,5Ω电阻用于电流平衡。每串电流为750mA,在75V驱动下提供1.5A的电流。  调光:50μs (值)导通脉冲,200:1调光比,100Hz调光频率。  注:本设计已经过验证。但并未进行详细测试,有些细节问题尚需进一步测试。

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