《电子技术应用》

电源斩波调光控制boost LED驱动器保持小浪涌电流

摘要: 本文介绍的LED驱动器参考设计为一串正向偏压高达60V的LED提供700mA恒流驱动。本设计可基于电源斩波进行PWM调光。输入电源以300Hz至1kHz的频率斩波控制通、断,实现LED亮度调节。驱动器采用固定频率进行boost转换器,由MAX16834 LED驱动器控制。这种独特的参考设计能够将输入浪涌电流限制在可以忽略的水平,且不影响输入、输出滤波。文章给出了设计原理图和测试结果。

Abstract:

  本文介绍的LED驱动器参考设计为一串正向偏压高达60V的LED提供700mA恒流驱动。本设计可基于电源斩波进行PWM调光。输入电源以300Hz至1kHz的频率斩波控制通、断,实现LED亮度调节。驱动器采用固定频率进行boost转换器,由MAX16834 LED驱动器控制。这种独特的参考设计能够将输入浪涌电流限制在可以忽略的水平,且不影响输入、输出滤波。文章给出了设计原理图和测试结果。

引言
   LED照明的主要优势是可以采用各种不同的调光技术准确控制LED光源的输出。由于LED为高效光源,也可以通过调光节省功耗。控制照明强度还有助于调节不同的环境气氛。

   由于多方面原因,PWM调光首选模拟调光。许多应用中,PWM调光有助于保持光输出的色彩,与亮度等级无关。对于电路设计,PWM控制更有利于噪声抑制;控制信号需要具有精确的电压和调光频率,驱动器电路设计也不能过于复杂。PWM调光除了两条电源线之外,通常还需要一条承载PWM调光信号的控制线。然而,这种标准配置对于大量采用共用调光器的照明系统是个缺点,也很难替代基于电源斩波进行调光控制的2线电源装配白炽灯。

   采用电源调光的传统LED驱动电路存在很多问题。这些驱动器在输入滤波电容放电到最低工作电压时,将逐渐关闭LED电源。该过程会造成输入和输出滤波电容放电到最低电平。再次打开电源时,浪涌电流重新补充电容电荷,从而造成EMI问题及调光器损坏。为避免这些问题,电路不得不采用大电感滤波器,从而增加了成本。

  本文讨论的LED驱动器参考设计采用PWM调光,解决了这些基本问题。该LED驱动器采用斩波PWM调光,不会造成任何电源电流过冲。该设计具有高达90%的效率,工作在24V。允许单向电源输入,输入端有一个MOSFET半桥,图1所示为设计电路板的顶层。

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图1. 参考设计电路板(顶视图)。电路板尺寸为23mm x 138mm,双层,仅顶层有元件。

   LED驱动器参考设计采用boost转换器拓扑,以固定电流驱动LED负载。由于LED正向偏压总是高于输入电压,所以选择boost拓扑。MAX16834提供了以高效PWM调光实现boost LED驱动器所需的全部特性。利用MAX16834还可以轻松实现其它常见拓扑,例如buck-boost、SEPIC或高边busk。

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图2. MAX16834参考设计原理图。

   图2所示为LED驱动器应用电路原理图。为了实现单向电源输入,在输入端提供一个桥式整流器。桥式整流器采用两个二极管、双MOSFET (N沟道)配置,减小输入桥上的压降和功耗。二极管D3和D4没有采用P沟道MOSFET代替,因为这种配置会造成输入电容在PWM关闭(电源关闭)期间放电,从而产生较大的浪涌电流。由L3、C4、L4、C6、C7和C8组成的输入滤波器将输入电流中的开关频率分量限制到最低值。PWM调光期间,利用电解电容进行输入和输出滤波,避免任何可闻噪声——大陶瓷电容的一个缺点。

   Boost LED驱动器工作在250kHz连续传导模式,选择30%的电流峰峰值作为电感纹波电流。减小电感电流纹波可提高效率、减小噪声,并稳定电流控制环路,但也随之降低了系统带宽,因为右半平面零点频率降低了。对于常规LED驱动器,降低带宽会影响PWM调光。MAX16834采用特殊的反馈拓扑,有效解决了这一问题,所以具有同类产品最佳的PWM调光响应,不会影响稳定性。

   Boost转换器输出(也就是LED+节点),以驱动器地为参考,连接至LED串的阳极。LED阴极通过调光MOSFET Q4及LED电流检测电阻R9连接至地。Q4在PWM调光期间打开、关闭。R9为MAX16834提供LED电流信息,通过控制boost转换器调节LED电流。

欠压锁定(UVLO)
  电源电压(VIN节点)高于21V时,LED驱动器打开。这确保优化于最小电源输入的转换器在输入电压稳定之前不会启动。滤波电容C16滤除造成UVLO意外触发的噪声尖峰。

斜率补偿
   由于该驱动器使用的boost转换器工作在CMM模式,占空比高于50%,内部电感电流控制环路会不稳定,引起次级谐波振荡,必须采用斜率补偿。SC引脚和地之间的电容C15为电流检测波形增加了必要的斜率,用于斜率补偿。关于斜率补偿电容设计的详细信息,请参考MAX16834数据资料。

 反馈补偿
  由boost拓扑、CMM工作模式、输出滤波电容产生的输出极点、LED动态阻抗和LED检流电阻构成的电源电路(boost转换器)的传输函数在右半平面有一个零点。COMP引脚和地之间的R5、C13和C7组成的反馈补偿网络在原点引入极点,在输出极点频率处又引入了一个零点和一个高频极点。

  补偿零点抵消了输出极点,将系统增益频率响应特性维持在-20dB/十倍程。系统的总环路增益应在1/5右半平面零点频率处以-20dB/十倍程的斜率通过0dB,确保系统稳定并留出足够的相位裕量。补偿电阻设置高于补偿零点频率的误差放大器增益,从而满足上述稳定条件。补偿电容C11引入频率为开关频率一半的极点,对高频分量和噪声进行衰减。关于反馈补偿设计的详细信息,请参考MAX16834数据资料。

 电源斩波PWM调光
   本设计中使用电源斩波PWM调光:减少了一条用于调光信号的输入线,在当前的调光设计中允许使用电源斩波。常见的直流调光器电路通过在电源输入与LED驱动回路上采用N沟道MOSFET,使其在调光控制下交替导通和关闭,达到调光的目的。该设计交替切断同给LED驱动器的电流,使接地输入端悬空。

  为了在调光器再次打开时将浪涌电流抑制到可以忽略的水平,LED驱动器的滤波电容应在整个PWM关断期间保持其电荷。只要补充少量电荷,即可使电容电压恢复到正常水平,不会引起任何浪涌电流。该LED驱动器在PWM调光期间快速检测电源切断的时间,然后关闭LED电流。PWM关断时,电阻R13和R15对输入电容放电,DIM引脚变为低电平,电路在任何输入电源方向都工作在相同方式。DIM引脚的低电平通过关闭调光MOSFET Q4立即切断LED电流。

  DIM输入禁用时,由于boost转换器也关闭,MAX16834消耗非常低的功耗;无需等待反馈响应。同时,误差放大器输出端的开关保持在最终稳定反馈的状态,典雅储存在补偿电容C13和C11。电源输入下次打开时,误差放大器输出马上跳至之前的稳定状态,使LED电流立即达到设定值。

 过压保护(OVP)
   LED开路条件下,boost转换器的输出电压会达到不安全的水平,需要采取一些保护措施。MAX16834采用OVP保护:如果OVP引脚电压升高至1.435V以上,boost转换器关闭。一旦OVP引脚电压下降到下限以下,boost转换器重新启动。这种重启特性使LED重新连接时立即使能LED电流,滤波电容C10确保OVP不会由噪声触发。

测试结果
图3至图8所示为该参考设计的测试结果。

图3. 启动时相对于地的LED电压。
图3. 启动时相对于地的LED电压。

图4. LED电压纹波(LED+电压)。
图4. LED电压纹波(LED+电压)。

图5. 开路LED OVP (LED+电压)。
图5. 开路LED OVP (LED+电压)。

图6. 在电阻R9 (150mΩ)上测得的LED电流及斩波后的输入电源。
图6. 在电阻R9 (150mΩ)上测得的LED电流及斩波后的输入电源。

图7. 输入电源电流:在0.1Ω电阻上测得。
图7. 输入电源电流:在0.1Ω电阻上测得。

图8. PWMDIM引脚电压。

图8. PWMDIM引脚电压。

 上电步骤
采用以下步骤为参考设计电路板上电。

  将正向偏压介于50V和60V之间、电流额定值为700mA至1A的LED串连接至电路板上的LED+和LED-端子。
将额定值0至30V、最小3A的电源连接至ACIN1和ACIN2,方向任意。
将电源电压逐渐增大至22V。在大约21V时,转换器应启动工作,LED串电流驱动至700mA。
为了启动PWM调光,电源通过100Hz至1kHz频率的时钟,以适当的占空比进行斩波。
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