LED驅動器設計照明系統電路解析 —電路圖天天讀（231）

　　隨著高功率LED的問世，照明產業也面臨新的挑戰。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。而為了提供恒流以維持LED色彩與亮度的一致性，恒流LED驅動器可作為一個提供恒流輸出的開關式轉換器。此外，省電或高效率的電源轉換需求更是在LED照明應用上不可缺少的要素，而磁滯型脈沖頻率調變技術（Hysteretic PFM）可以大幅提升輕載或重載時的電源轉換效率。本文將探討如何利用恒流LED驅動器設計出高效率、高穩定性的LED照明系統。

　　傳統LED驅動器：定電壓模式

　　流經LED的電流決定了LED的亮度，電流越大，LED的亮度也會越亮。一般而言，使用定電壓或恒流驅動器都可達到點亮LED的目的。圖1為最簡單的定電壓 LED驅動器，流經LED的電流是由與LED串聯的電阻所控制。例如，假設輸入電壓為5V，LED的順向偏壓為3.6V，則在該條件下，如果需要的LED 電流為20mA，所要使用的限流電阻即為70Ω。雖然這種方法的架構非常簡單，但LED的電流會隨著落在LED兩端的電壓而改變，如果LED順向偏壓不一致或輸入電壓有些許變動都會對LED的亮度產生影響。除此之外，在限流電阻上的功率損耗也會造成過熱及低效率的問題。

　　圖1：定電壓LED驅動器電路圖

　　傳統LED驅動器：恒流模式

　　另一種常用的LED驅動器為如圖2所示的恒流模式驅動器。在圖2中，LED的電流由線性穩壓器所提供，其電流可由R1電阻設定。與定電壓模式驅動器相比，恒流模式驅動器可以控制流經LED的電流而不受LED順向偏壓及輸入電壓的不同所影響。但如果輸入電壓與LED總順向偏壓之間的壓差過大的話，還是會在驅動器上產生過熱的問題。

　　圖2：恒流LED驅動器電路圖

　　磁滯型脈沖頻率調變

　　MBI6650 的磁滯型脈沖頻率調變控制方式可以在輕載應用下有效提升系統的效率。圖3為MBI6650的應用電路，圖4為磁滯型脈沖頻率調變方式的波型示意圖。圖3中的VSEN為RSEN電阻兩端的壓降，MBI6650的輸出電流就是由該電壓及電阻而定。圖4中的VH為MBI6650內部的高位準參考電壓，其值為 VSEN電壓的1.3倍，而VL為VSEN的0.7倍。MBI6650的工作原理為：當電源打開時，VSEN低于VH，因此MBI6650內置的 MOSFET開啟，此時電感電流增加連帶使跨在RSEN兩端的VSEN隨之增加。當VSEN等于VH時，內置的MOSFET會關閉，此時電感電流會透過二極管（D1）放電而下降，因而使VSEN電壓隨之下降。而當VSEN電壓等于VL時，內置的MOSFET又會再次開啟并重復之前的動作。由于磁滯型脈沖頻率調變的特性，電感電流會一直維持在連續導通模式（CCM），這對降低LED漣波電流有很大的幫助。

　　這種控制方式的切換頻率會隨著負載電流而變化，電流越大頻率越低。在相同的負載條件下，電感越大其切換頻率會越低。MBI6650的切換頻率被控制在40kHz以上以避免音頻噪聲的發生。

　　除了可改善輕載時的效率外，磁滯型脈沖頻率調變控制方式也具有其它優點，例如，由于使用高壓測電流限制技術，在限流電阻上所損失的功耗很小，因此可使用較小體積的限流電阻，這對節省電路板空間及組件費用是有幫助的。

　　圖3：MBI6650應用電路圖

　　圖4：磁滯型脈沖頻率調變控制方式的波型示意圖

　　消除波動AC輸入引起的LED閃爍

　　在LED照明系統中，添加電路以改善PFC響應時間能夠幫助消除由快速變化的AC輸入電壓引起的閃爍。如果功率因素校正（PFC）塊響應不夠快，波動AC輸入能夠推動輸出電壓超出其正常范圍并引起人眼能夠察覺的照明輸出變化。添加一些簡單的電路至PFC塊能夠幫助改善響應時間并消除閃爍問題。

　　防止過壓條件

　　添加過壓消除（OVE）至PFC塊，幫助更輕松地對升高過快（尤其啟動過程中）的電壓作出反應。沒有OVE塊的話，如果PFC沒有及時響應，輸出電壓和反饋控制之間就會存在間隙。由于輸出電壓達到其目標，反饋控制嘗試降低控制值，但是因為它太慢，可能會產生過多的能量。添加OVE功能能夠解決這個問題。當過多的升壓電壓超出目標時，保護啟動并且PFC轉換器作出快速反應。圖1顯示在有和沒有附加OVE電路的情況下PFC控制器的輸出響應。配備OVE的控制器在啟動時有效消除過壓條件的應力。

　　圖：添加OVP功能在啟動時消除過壓應力

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　　保護功能

　　為確保LED照明系統及驅動器的安全及可靠性，MBI6650同時提供數種保護功能。例如：欠電壓保護（UVLO）避免讓IC因輸入電壓不足時出現誤動作，它所提供的磁滯電壓可避免開機時的噪聲干擾。開路及短路保護可保護驅動器因受故障狀況影響而損傷。同時MBI6650也提供過溫度保護，當IC芯片到達 140°C時，IC即會自動關閉輸出電流以避免過熱對IC產生損傷，而當溫度降至95°C時，IC才又會再次工作。

　　編輯點評：本篇文章將恒流LED驅動器設計出高效率、高穩定性的LED照明系統的大部分基礎知識都進行了總結和歸納。還對傳統LED驅動器的兩種模式進行了詳細的分析和相應的電路分析。并給出了消除LED閃爍的解決方法。希望大家能夠全面掌握這些知識，從而為自己的設計生涯打好堅實的基礎。
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