电源斩波调光控制boost LED驱动器保持小浪涌电流

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。

 

重要设计特性

• ±24VDC ±5%单向电源输入
• 采用高达60V的正向偏压驱动LED串
• 700mA LED电流
• 输入电源斩波调光
• UVLO @ 21V
• 65V LED开路保护
• 330Hz调光频率下，亮度可低至5%
• 效率高于90%

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。

#p#元件列表e# 元件列表

标识符	器件	封装	数量
C1, C2, C3	10µF, 80V, EEEFK1K100XP	CAP_CD8X6.2	3
C4, C6	4.7µF, 50V	1210	2
C5, C13	0.22µF, 16V	0603	2
C7, C8	22µF, 35V, EEEFK1V220R	CAP_WF6.3	2
C9	1µF, 100V, X7R ceramic	1210	1
C11	6.8nF, X7R ceramic	0603	1
C12, C14	1µF, 16V, X7R ceramic	0603	2
C15	2.2nF, X7R ceramic	0603	1
C16	0.22µF, 16V, X7R ceramic	0603	1
C17	0.1µF, X7R ceramic	0603	1
D1	B130	SMA	1
D2	B180	SMB	1
D3, D4	B330	SMA	2
D5, D8, D9	1N4148WS	SOD323	3
D6, D7	UDZST179.1V	SOD323	2
D10	UDZST174.3V	SOD323	1
L1, L2	27µH, MSS1246	MSS1246	2
L3, L4	10µH, MSS1038	MSS1038	2
Q1, Q2	Si4446DY	SO-8	2
Q3	STD15NF10	DPAK	1
Q4	FQT7N10LTF	SOT223-4	1
R1	442kΩ 1%	0603	1
R2, R3, R4, R13, R14	10kΩ 1%	0603	5
R5	274Ω, 1%	0603	1
R6	26.7kΩ 1%	0603	1
R7	1Ω	0603	1
R8	10.5kΩ 1%	0603	1
R9	0.15Ω, 1%	1206	1
R10	0.062Ω, 1%	2512	1
R11	20kΩ 1%	0603	1
R12	137kΩ 1%	0603	1
R15	1kΩ 1%	0603	1
U1	MAX16834	4mm x 4mm, 20-pin TQFN-EP	1

图2. MAX16834参考设计原理图。

 

详细说明

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。

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4. LED电压纹波(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7. 输入电源电流：在0.1Ω电阻上测得。


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。

1. 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。
2. 将额定值0至30V、最小3A的电源连接至ACIN1和ACIN2，方向任意。
3. 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。
4. 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。