高性价比之 LED 照明驱动设计方案

高性价比之LED照明驱动设计方案高性价比之LED照明驱动设计方案By俞仲威，聚积科技技术市场部项目副理前言高功率LED的问世加速了LED在照明产业的普及，同时也带来了新的挑战。LED的使用寿命及电源转换效率成为设计LED照明系统时的主要考虑因素，同时必须提供恒流(constantcurrent)以维持LED色彩与亮度的一致性。因此，设计良好的LED驱动器必须能提供精确的电流输出且不受输入电压及输出负载变化影响，且同时兼顾能源转换效率及输出涟波等影响使用寿命的特性。磁滞型脉冲频率调变技术(HystereticPFM,HPFM)可以大幅提升系统在低负载或高负载时的电源转换效率。本文将探讨如何利用恒流LED驱动器设计出具有高效率、高稳定性且兼具高信赖性的LED照明系统。定电压vs.恒流驱动模式一般而言，LED的输出亮度与流经LED的顺向电流约略成正比，使用定电压或恒流驱动器皆可达到点亮LED的目的。图1为最简单的定电压LED驱动器，LED电流是由与LED串联的电阻R1-Rn与LED的顺向偏压(forwardvoltage,VF)所决定。例如，输入电压为5V，LED顺向偏压为3.6V，如果要设计LED电流为20mA，所要使用的镇流电阻经计算为70Ω。虽然这种镇流器架构非常简单，但是若VIN变动则LED输出亮度也必然会随之改变；同时量产品的LED顺向偏压不一致也会对每一串LED的输出亮度产生影响。在镇流电阻上的功率损耗也会造成过热及低效率的问题，特别是在输入电压与LED输出电压相差极大时效率会越形低落。R1LED11RnLEDn1VIN+-LED12LED13LEDn2LEDn3图1定电压LED驱动器另一个常用的LED驱动器为如图2所示的恒流模式驱动器。在图2中，LED的电流是由线性稳压器所提供，其电流可由R1电阻设定。与定电压模式驱动器比较，恒流模式驱动器藉由控制检流电阻R1两端跨压可以直接控制流经LED的电流，在这种设计架构下，LED输出电流只与R1的精确度相关，不受输入电压变化或是LED顺向偏压不一致影响。但是如果输入电压与LED输出电压之间压差过大的话，还是会在驱动器上产生过热的问题。Macroblock,Inc.2011Floor6-4,No.18,Pu-TingRd.,Hsinchu,Taiwan30077,ROC.TEL:[phone],FAX:[phone]E-mail:[e-mail]1高性价比之LED照明驱动设计方案VINOUTVIN+CINFBLED1ILED+COUTR1图2恒流LED驱动器磁滞型脉冲频率调变MBI6661的磁滞型脉冲频率调变控制方式可以在轻载应用下有效提升系统的效率。图3为MBI6661的应用电路，而图4为磁滞型脉冲频率调变方式的波型示意图。图3中RSEN电阻两端的直流压降定义为VSEN，MBI6661的输出电流即是由此电压及电阻而定(MBI6661中VSEN=100mV)。图4中的VH为MBI6661内部的高位准参考电压，其值为VSEN电压的1.15倍，而VL为VSEN的0.85倍。磁滞调变的原理为当电源打开时，因为此时LED电流为零使VSEN必然低于VH，因此MBI6661内建的MOSFET导通对电感充电，此时电感电流增加连带使RSEN两端电压VSEN随之增加。当VSEN等于VH时，内建的MOSFET会被关闭，此时电感电流会透过飞轮二极管(D1)放电而下降，因而使VSEN电压随之下降。而当VSEN电压等于VL时，内建的MOSFET又会再次导通并重复之前的动作。由于磁滞型脉冲频率调变的特性，电感电流会一直维持在连续导通模式(CCM)，这对降低LED输出涟波电流有很大的帮助。磁滞型脉冲频率调变控制方式的切换频率会随着负载电流而变化，电流越大频率越低。在相同的负载条件下，电感越大其切换频率会越低。MBI6661的切换频率必须被控制在40kHz以上以避免音频噪声的发生。供做切换频率与各参数间的关系可以推导如下：FSWVIN-VOUT-VSEN-(RDS(ON)IOUT)DL1ILRDS(ON)为MBI6661内部MOSFET的导通电阻，此值为在电源电压VIN=12伏特时量测值不超过0.35ΩL1为电源转换器的主电感D为MBI6661工作占空比，D=VOUT÷VINFSW为MBI6661工作切换频率IOUT为LED输出电流，IL为电感的涟波电流，△IL=(1.15xIOUT)–(0.85xIOUT)=0.3xIOUTVSEN为检流电阻上的直流压降，VIN为输入电压，VOUT为输出的LED电压。除了可改善轻载时的效率外，磁滞型脉冲频率调变控制方式也具有其他优点。由于MBI6661使用高压侧电流检测技术(high-sidesensing)，在检流电阻上所损失的功耗很小，因此可使用较小体积的检流电阻。相较于传统定频式脉波宽度调变控制技术(Pulse-WidthModulation,PWM)而言，磁滞型脉冲频率调变控制回路设计上更为简单，免除了复杂的频率补偿设计，因此可以大幅减少控制器所需的外部组件，这对节省电路板的空间及生产制造的成本是有正面帮助的。Macroblock,Inc.2011Floor6-4,No.18,Pu-TingRd.,Hsinchu,Taiwan30077,ROC.TEL:[phone],FAX:[phone]E-mail:[e-mail]2高性价比之LED照明驱动设计方案VSENVHVLtVSWONOFFtILt图3MBI6661应用电路图4磁滞型脉冲频率调变控制方式的波型示意图支持更高的输入电压不同于一般市面上常见的降压(Buck)型控制器多只支持到最高40V的输入电压，MBI6661采用台湾集成电路公司(TSMC)先进的60VBCD制程工艺，将最大支持输入电压提升至60V(最大耐压超过75V)，除了可以完全支持常见的48V的直流输出电压外，更一举将单一模块最大支持的输出功率提升到60W(60V,1A输出)，相较于目前市面常见方案有50%的提升。在高输出功率照明装置的设计上，MBI6661可以有效减少输出模块的使用；同时在单一模块内允许更多的LED串连数，使均流设计更容易实现。LED显示屏液晶模块光电显示保护功能除了常见的过温保护(Over-TemperatureProtection)以及欠压保护(Under-VoltageLock-Out)外，MBI6661同时内建了过电流保护(Over-CurrentProtection)。在12V/24V的MR-16应用中，使用者常发现在散热不佳的密闭使用环境下转换器IC容易莫名烧毁，而烧毁时输出电流及电压均无异常，造成客诉上棘手难解的问题。事实上，萧特基二极管在高接合温度(junctiontemperature)下会产生热失控(thermalrunaway)，也就是伴随着高接合温度下激发出更多的自由电子导致反向偏压下的逆向漏电流大幅增加。如下图5所示，对控制器而言电流侦测电阻并无法有效侦测此一漏电流(虚线所示)，因此最终导致功率开关被过电流烧毁。图5正常工作电流(实线)与热失控电流(虚线)示意图Macroblock,Inc.2011Floor6-4,No.18,Pu-TingRd.,Hsinchu,Taiwan30077,ROC.TEL:[phone],FAX:[phone]E-mail:[e-mail]3高性价比之LED照明驱动设计方案针对此一议题，聚积科技在新系列DC/DC转换器IC均内建智能型过电流侦测装置，使转换器可以在功率开关导通时完成逐周期(cycle-by-cycle)的过电流侦测，在热失控发生的同一切换周期内即可侦测出过电流发生，同时关闭功率开关藉以达成过电流保护，完全解决电源转换器功率开关在较高工作温度下容易发生信赖性失效的问题。传感器仪器仪表实验设备结论在设计一款安全且有效的LED照明系统时，聚积科技推出的MBI6661具有相当大的优势；例如：以磁滞型脉冲频率调变技术提升低负载时的效率，连续导通模式恒流控制可提升LED的使用寿命，及提供数种保护功能以确保照明系统的安全及可靠性。相较于传统型的LED驱动器，MBI6661的精确输出电流和高转换效率更适合于LED照明系统的应用。太阳能光伏、光伏Macroblock,Inc.2011Floor6-4,No.18,Pu-TingRd.,Hsinchu,Taiwan30077,ROC.TEL:[phone],FAX:[phone]E-mail:[e-mail]4