设计分享丨为2并5串LED灯提供升降压驱动方案

 

本参考设计以MAX16819为主控制器，为5S2P（2并5串） AR111 LED灯提供buck-boost驱动方案。

 

图1为电路原理图，图2给出了设计布局图。如下为电气输入要求、输出特性：

• V_IN：12VAC ±10%

• PWM输入：不适用

• V_LED配置：5S2P，每只LED电压为3VDC至3.8VDC (每串19VDC，最大值)，每串电流500m

 

以下详细讨论了该参考设计，分析其主电路模块和设计规范。

 

图1. LED驱动器原理图

 

图2. LED驱动器布局

 

 

01 设计分析  

AR111 LED灯参考设计可驱动总共10只LED—2串并联、每串5只LED。输入电压为12VAC、容差±10%。肖特基二极管D1至D4构成全波整流电路，电容C1至C8用于电压滤波。根据对LED闪烁的要求，可以去掉一些滤波电容以降低成本。这些电容中包含一个钽电容，具有较好的温度特性。

 

因为LED按照5S2P排列，不可能达到完全匹配的电流。假设LED灯具有良好的匹配度，使电流差异降至最小。控制每串LED的数量及混合架构的灯管数量，有助于减轻电流匹配度的影响。

 

MAX16819设计用作buck调节器，也可以设置成buck-boost模式。但是，这种配置下会牺牲一定的电流精度。

 

 

02 电感选择  

按照下式计算LED电流：

 

 

其中，I_L是电感电流。上式表明LED电流等于输入、输出电压修正后的电感电流。V_IN的波动(120Hz纹波)将导致LED电流随之波动。

 

利用下式计算电感电流：

 

 

本设计中，平均LED电流为1A，平均V_IN为13V，平均V_LED为19V。因此，所要求的电感电流为：

 

 

可利用80mΩ检流电阻调整电感电流。输入电压较低(假设10V左右)时，LED电流跌落到大约850mA；输入电压达到16V时，LED电流可以达到1.12A左右。

 

电感L1工作在250kHz开关频率，平均电流为2.46A，峰值电流为2.83A。可选择Coilcraft的电感MSS1260-393ML，电感值为39µH，额定连续电流为2.6A (40°C温升)，饱和电流为3.08A (电感值下降10%)。

 

 

03 过压保护  

负载开路时，R7、R8和Q2可提供过压(OV)保护。如果没有过压保护电路，处于开路状态的LED将导致输出电压失控，损坏器件。过压保护门限约为30V。

 

 

04 热管理  

R2、R4、R5、R6和U2提供折返式热管理。R4为100kΩ负温度系数热敏电阻(常数B ＝ 4250)。当温度达到50摄氏度时，电阻R4的阻值降低，使U2控制引脚的电压提高，导致部分电流流过R6和R2。这些电流可降低输入检流电阻R1的电压，从而降低电感和LED的电流。随着温度的升高，R2电压进一步增大，使LED电流进一步降低。最后，随着LED电流的降低，使温度恢复到正常范围，达到系统平衡。折返式热管理架构允许LED灯用于空气流通条件有限的场合，无需考虑过热问题。热管理可能使灯管亮度受到轻微影响，但仍可保持能够接受的照明亮度。

 

Q1 (STN3NF06L)为60V、0.07Ω、逻辑电平控制的MOSFET，采用SOT223封装。这款MOSFET具有很小的栅极总电荷(Qg = 9nC，最大值)，能够使开关损耗保持在最小。器件损耗近似为：400mW (传导损耗)和500mW (开关损耗)，共计900mW。封装热阻为38°C/W，将导致管芯温度比PCB温度高出34°C。还需考虑可能的误差因素，以保留更多裕量。

 

 

05 PCB布局  

PCB设计中，所有器件都放置在电路板顶层，底层保留用作地。实际应用中，电路安装在铝结构上，能够提供较好的接地和散热性能。顶层设计采用较大的覆铜面积，以改善与铝结构之间的导热能力。