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如何使用LED恒流驱动IC和多谐振荡器实现PWM调光控制

电源/新能源

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描述

  首先简单介绍一下TL4242 500-mA LED 恒流驱动IC(参照TI官网datasheet)

  该IC最高能驱动500mA的负载,并能通过外部电阻来设定驱动电流的大小,内部具有保护电路,防止在过载情况下损坏设备:过热保护,短路保护,反极性保护(反向最高能承受45V的电压),超温保护。该IC能具有PWM调光输入功能,可输入外部输入PWM调光脉冲信号,来实现对LED负载的调光控制。该芯片属于High side控制方式

  该IC在-40℃到150℃温度条件下正常工作。

  简单的原理图如下:

  IC的各个引脚的定义:

  

  NO 1:PWM调光脉冲信号输入引脚,如果不用该功能,将该引脚与NO 8 I 引脚连接。

  NO 2:ST 状态输出。集电极开路输出。连接到外部上拉电阻器(RPULLUP≥4.7 kΩ)。

  NO 3:GND 接地引脚。

  NO 4:REF 参考输入,连接到分流电阻器。

  NO 5:D 状态延迟。要设置状态反应延迟,用电容器连接到GND。如果不需要延迟,悬空处理。

  NO 6:Q 输出引脚。

  NO 7:N/C

  NO 8:I 输入引脚,使用100nF陶瓷电容器直接连接到尽可能靠近设备的GND。

  官方建议的参数设定值:

  VCC 输入电压4.5-42V

  VST 状态ST输出电压最高16V

  VPWM PWM输入电压0-40V

  CD 状态延迟电容值0-2.2μF

  REF 参考电阻阻值0-10Ω

  TJ 芯片TJ正常工作的TJ温度范围为-40℃-150℃

  功能框图:

  

  恒流控制原理:

  由图可知,图中红框部分为复合管为NPN型管与PNP型管组成,等效为NPN型三极管,采用复合管后,在信号源提供的输入电流不变的情况下,可以得到高达几安的输出驱动电流,需要注意的是此时应选择中等功率或者大功率管。该电路控制原理为LDO控制,属于线性恒流控制,与一般MOS管做开关不同的是,该内部控制以三极管做开关对负载进行控制,与一般的LDO线性控制原理一样,形成一个闭环反馈控制来保证达到恒流的目的。

  闭环回路原理图控制如下:

  然后介绍一下TLC555LinCMOS™ 计时器(参照TI DATASHEET)

  使用TLC555定时器来产生PWM脉冲电压 调整芯片PWM实现PWM调光功能。

  TLC555 是一款采用TILinCMOS™工艺制造的单片计时电路。该计时器与CMOS、TTL 和MOS 逻辑器件

  完全兼容,可在高达2MHz 的频率下正常工作。由于输入阻抗较高,此器件可支持比NE555 或LM555 所支持的计时电容器更小的计时电容器。因此,可实现更加准确的延时时间和振荡。在整个电源电压范围内可保持较低功率。

  与NE555 类似,TLC555 有一个约等于电源电压三分之一的触发电平以及一个约等于电源电压三分之二的阈

  值电平。可使用控制电压端子(CONT) 来改变这些电平。当触发输入(TRIG) 下降至低于触发电平的时候,触发器被设定并且输出变为高电平。如果TRIG 高于触发电平并且阈值输入(THRES) 在阈值电平之上的话,触发器被复位并且输出为低电平。复位输入(RESET)的优先级高于所有其它输入并且可被用来启动一个新的定时周期。如果RESET 为低电平,触发器被复位并且输出为低电平。只要当输出为低电平,在放电端子(DISCH) 和接地(GND) 之间提供一个低阻抗路径。所有未用输入端必须接入合适的逻辑电平以免发生误触发并持较低功耗。

  简化的原理图:

  

  各个引脚功能定义:

  

  555定时器的工作原理:

  原理图如下图所示:

  

  首先为什么它叫做555定时器呢,是因为它内部存在3个5K欧姆的电阻,内部还包括电压比较器C1,C2,基本RS触发器,放电晶体管T以及缓冲器组成。

  3个电阻分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端

  的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。C1和C2的输出端,控制RS触发器状态和放电

  管开关状态。当输入信号输入并超过2/3Vcc时,触发器复位,555的输出端3脚输出_低电平,同时放电,开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时,触发器置位,555的3脚输出高电平,同时充电,开关管截止。

  RD为复位输入端, 当RD为低电平时, 不管其它输入端的状态如何,输出电压为低电平。

  当5脚悬空时, 比较器C1和C2的电压分别为(2/3)VCC和(1/3)VCC。

  如果在电压控制端(5脚)施加一个外加电压V(其值在0~VCC之间),比较器C1和C2的电压分别为V和(1/2)V;

  总结的功能表 如下图所示:

  

  以上是555定时器的基本工作原理,接下来介绍一下555定时器作为多谐振荡器来产生脉冲方波的结构原理:

  4引脚为复位引脚,当此引脚接高电平时定时器工作,当此引脚接地时芯片复位,输出低电平。该多谐振荡器的4引脚接高电平VCC,定时器处于工作状态,5引脚为比较器控制阀值引脚,接以0.01μF的电容到地,起到滤波的作用,VTR(2)VTH(6)通过定时电容C接地,同时通过R2与三极管集电极接在一起,或者是MOS管的源极接在一起。三极管集电极输出电压或者是MOS管的源极输出电压通过上拉电阻R1与电源VCC接在一起。

  

  接通电源瞬间,定时电容C上的电压为0,高电平触发端6引脚与低电平触发端2引脚的电压都初始为0,放电管T处于截止的状态,这时候定时电容C开始充电,高电平触发端6引脚与低电平触发端2引脚的电压逐渐升高,

  1. 在定时电容C上的电压冲到2/3VCC之前,高电平触发端6引脚上的电压小于2/3VCC,低电平触发端2引脚上的电压大于1/3VCC时,继续保持之前的状态。

  2. 电容C继续充电,当定时电容C上的电压超过2/3VCC时,高电平触发端6引脚上的电压大于2/3VCC,低电平触发端2引脚上的电压大于1/3VCC时

  定时电容上的电压通过放电管T开始放电。

  3. 当定时电容放电后电压小于1/3VCC时,高电平触发端6引脚上的电压小于于2/3VCC,低电平触发端2引脚上的电压小于1/3VCC时,T放电管截止。

  电路又开始重新开始充放电的过程,如此不断重复形成振荡,在V0端得到连续的方波,输出PWM脉冲电压。

  以上就是555定时器多谐振荡器最终产生PWM脉冲电压的全过程。

  TI的555定时器与恒流驱动芯片组成PWM调光电路如下:

  电路很简单:

  恒流IC:

  由于恒流驱动IC没有升压功能,所以设计时要注意输入电压应大于后端LED最大驱动电压。

  LED驱动电流设定可根据电流设定电阻R0来设定,该IC芯片VREF典型值为177mV.通过以下公式对电流进行设定:

  IQ,typ = VREF/RREF

  555定时器:

  电容C开始充电:TPH=0.7R1*C

  电容C放电时:TPL=0.7R2*C

  输出的电容周期为:T=0.7(R1+R2)C

  频率f=1.43/(R1+R2)C

  占空比:R1/(R1+R2)*100%

  该文介绍的只是LED调光控制的一个很简单的应用,应用了TI的两个的IC芯片,参照了TI官网中datasheet中的部分内容,具体的详细设计还需参考TI官方的芯片的datasheet,以及产品的实际情况,EMC实验等。内容虽然都很简单,但却是一个很好的设计思路,而且也是我很认真完成的,如果有不完善的地方希望大家多多包涵,总之希望对大家有所帮助,欢迎一起交流学习。谢谢大家!

 

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