多通道BUCK恒流方案的應(yīng)用
胡向峰(創(chuàng)維TV產(chǎn)品研究院,廣東?深圳?518108)
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201911/407671.htm摘?要:本文介紹了BUCK電路的傳統(tǒng)架構(gòu),在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了應(yīng)用于背光恒流方案上的BUCK拓?fù)渑缮軜?gòu),以及應(yīng)用此派生架構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題,并結(jié)合實(shí)際案例給出具體的解決措施,通過(guò)實(shí)驗(yàn)及大批量的生產(chǎn)驗(yàn)證表明,措施有效、穩(wěn)定且可靠,對(duì)后續(xù)使用類似的恒流架構(gòu)方案具有現(xiàn)實(shí)的借鑒和參考意義。
0 引言
隨著LED電視背光模組的不斷發(fā)展,目前與背光模組相匹配的恒流拓?fù)溆?種:
1)BOOST升壓方式;
2)BUCK降壓方式;
3)電源輸出“直驅(qū)式”。其中每一種恒流拓?fù)渚衅鋬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),根據(jù)屏體規(guī)格要求,在設(shè)計(jì)時(shí)需選擇合適的拓?fù)浼軜?gòu)與之匹配,其中BUCK恒流拓?fù)浼軜?gòu)因其架構(gòu)簡(jiǎn)單、電路效率高,設(shè)計(jì)成本低而被廣泛應(yīng)用。
本文介紹了BUCK恒流的拓?fù)浼軜?gòu),在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了BUCK恒流方案在實(shí)際應(yīng)用中遇到的主要問(wèn)題和設(shè)計(jì)容易忽略的細(xì)節(jié)問(wèn)題,并給出相應(yīng)的解決措施和思路,對(duì)后續(xù)使用類似BUCK恒流驅(qū)動(dòng)方案有十分重要的借鑒和指導(dǎo)意義。
1 BUCK拓?fù)浼軜?gòu)電路及工作原理
統(tǒng)的Buck變換器,也稱降壓式變換器,是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。Buck變換器也有CCM和DCM兩種工作方式。主要由開(kāi)關(guān)管(Q1)、電感(L0)、輸出濾波電容(C0)以及續(xù)流二極管(D1)組成,從電路可以看出,電感L0和電容C0組成低通濾波器。
根據(jù)BUCK電路特點(diǎn),并結(jié)合背光恒流方案的設(shè)計(jì)要求,將原有BUCK電路進(jìn)行變形和派生,演化成上圖2所示的BUCK恒流驅(qū)動(dòng)電路。
工作原理如下:
當(dāng)恒流IC的驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí), Q1閉合,電源Vdc通過(guò)模組燈條(負(fù)載)給電感L0充電,此時(shí)電感上的電流增大。MOS管開(kāi)通時(shí),BUCK電路的開(kāi)通回路為:Vdc(+) →模組燈條(負(fù)載)→L0(電感)→Q1(MOS) →地。當(dāng)恒流IC的驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí),Q1關(guān)斷,電感L0電流通過(guò)模組燈條放電,電感處于放電過(guò)程。MOS管關(guān)斷時(shí),BUCK電路的關(guān)斷回路為:L0 + (電感)→ D1(續(xù)流二極管)→模組燈條(負(fù)載)→ L0 - (電感)。在此電路中,電感值的選擇是關(guān)鍵,設(shè)電感值的選擇取決于LED允許的電流等級(jí)。假設(shè)LED允許的紋波為±10%,那么根據(jù)電感公式 E=L di/dt,考慮到MOS關(guān)斷期間,電感為L(zhǎng)ED燈條提供能量,E=VLED=Vo,max=L di/dt,此時(shí), di 為紋波電流,等于0.2× I o,max , dt 是關(guān)斷時(shí)間,則
2 多通道恒流BUCK在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題及解決方案
由于該恒流采用BUCK派生的電源拓?fù)?,因BUCK電路本身的一些限制,針對(duì)在開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)的過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及在實(shí)際中容易忽略的問(wèn)題,在此進(jìn)行原因分析,并給出解決的方案。以下的分析主要基于OZ9906(6通道)的恒流方案為例進(jìn)行說(shuō)明。
2.1 開(kāi)短路實(shí)驗(yàn)及其他異常的保護(hù)
BUCK恒流電路因其簡(jiǎn)潔的電路形式、高效率及較低的成本等特點(diǎn),在LED背光電源中被廣泛應(yīng)用。但是,BUCK恒流電路因自身的電路限制,和恒流芯片方案配合使用時(shí),也存在一些缺陷,如部分燈條開(kāi)路、MOS管短路實(shí)驗(yàn)及續(xù)流電路故障等,都無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)燈條保護(hù)或器件的安全,必須借助于恒流芯片的專用引腳來(lái)觸發(fā)輸入電源的保護(hù),以O(shè)Z9906為例,當(dāng)上述故障出現(xiàn)時(shí),狀態(tài)引腳(STATUS)(其他恒流方案也用FAULT引腳來(lái)表示類似的功能),通過(guò)該引腳的電平翻轉(zhuǎn)來(lái)發(fā)出保護(hù)信號(hào),通過(guò)外加保護(hù)電路來(lái)觸發(fā)電源端的保護(hù),使整個(gè)系統(tǒng)在恒流驅(qū)動(dòng)故障時(shí)處于安全的保護(hù)模式。如下圖(3)即為和OZ9906匹配的一種保護(hù)電路。
工作原理說(shuō)明如下:
在恒流IC正常工作時(shí),STATUS為高電平,即A點(diǎn)為高電平(A點(diǎn)和STATUS引腳連接),三極管Q1導(dǎo)通,三極管Q1的c極為低電平,那么該電路的B點(diǎn)為低電平,以至于B點(diǎn)連接電源端的自鎖電路不動(dòng)作,電源正常工作,整個(gè)電視系統(tǒng)工作正常。
當(dāng)部分燈條開(kāi)路、MOS管短路、續(xù)流二極管及該電路上的其他器件開(kāi)路及開(kāi)機(jī)PWM和ENA時(shí)序異常等其中一項(xiàng)異常情況發(fā)生時(shí),STATUS電平瞬間由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平,三極管Q1截至,因三極管Q1的c極通過(guò)電阻連接至恒流IC內(nèi)部的參考電壓,導(dǎo)致三極管c極變?yōu)楦唠娖?,二極管D1導(dǎo)通,B點(diǎn)為高電平,從而導(dǎo)致連接B點(diǎn)的電源端的自鎖電路觸發(fā)保護(hù),使電源鎖死保護(hù),整個(gè)電視系統(tǒng)處于保護(hù)狀態(tài),從而避免燈條、器件及其他異常發(fā)生。
2.2 PWM調(diào)光方式電感的噪音問(wèn)題
在使用BUCK方案做多路恒流驅(qū)動(dòng)時(shí),使用柱狀電感在PWM調(diào)光方式下,會(huì)產(chǎn)生較大的噪音問(wèn)題,且路數(shù)越多,疊加的噪音越大。
2.2.1 原因分析
因使用柱狀電感(圈數(shù)為170 Ts,感量為1.5mH),一般圈數(shù)較多,繞線層數(shù)較密,當(dāng)恒流板調(diào)光方式采用PWM調(diào)光時(shí),BUCK電路的電感電流工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),導(dǎo)致電感線圈發(fā)出噪音,同時(shí),因屏體燈條數(shù)為6路,6路BUCK電感噪音疊加,使得整個(gè)恒流板產(chǎn)生較大的噪音。
2.2.2 解決措施
將BUCK電感由柱狀電感改為環(huán)狀電感(圈數(shù)為110 Ts,感量為650μH),將電感繞線沿環(huán)狀分布,減少繞線的疊加,在PWM調(diào)光方式下,可基本消除單路BUCK電感噪音,從而降低6路電感的噪音疊加。
2.3 PWM調(diào)光方式最小占空比下的保護(hù)問(wèn)題
因BUCK恒流方案的STATUS腳在異常情況下會(huì)通過(guò)保護(hù)電路觸發(fā)電源端的保護(hù),因此在設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意當(dāng)PWM(調(diào)光信號(hào))和ENA(使能信號(hào))時(shí)序異常時(shí)是否會(huì)觸發(fā)恒流IC的STATUS腳保護(hù),并且參數(shù)的設(shè)置需和恒流方案的規(guī)格相匹配。一般情況下,很少關(guān)注PWM最小占空比情況下設(shè)計(jì)參數(shù)的最小值要求,導(dǎo)致整機(jī)匹配時(shí)出現(xiàn)異?!,F(xiàn)以某項(xiàng)目中使用的BUCK恒流(OZ9906)方案為例進(jìn)行說(shuō)明。
2.3.1 原因分析
當(dāng)PWM出現(xiàn)最小占空比時(shí),PWM頻率為100Hz,最小占空比為5%(甚至更?。?,也就是說(shuō)Toff=10ms×(1-5%)=9.5 ms,Ton=0.5 ms,即在0.5ms內(nèi)需保持使能腳為高電平,同時(shí)TIMER腳(保護(hù)延遲時(shí)間設(shè)定)電壓不能升至門限值,才不會(huì)使STATUS狀態(tài)腳電平翻轉(zhuǎn),觸發(fā)自鎖電路工作,從而導(dǎo)致電源端自鎖發(fā)生。如下圖(4)所示:
2.3.2 解決措施
延長(zhǎng)TIMER腳的上升時(shí)間,如圖(5)所示:
根據(jù)電容的充電原理:Vt=V0+(Vu-V0)×[1-exp(-t/RC)]
設(shè)V0=0V,Vu=5V
因Vt=2.8V(min),R=100k,C427=470nF,
帶入(3)式 2.8-0.7=5[1-exp(-t/100k×470nF)
則t=25.6m
因Tpwm=10 ms,t>Tpwm,所以在PWM的一個(gè)周期內(nèi),TIMER腳的電壓不能達(dá)到保護(hù)點(diǎn)Vt(2.8Vmin), 所以不會(huì)觸發(fā)STATUS狀態(tài)腳電平翻轉(zhuǎn),從而觸發(fā)自鎖電路工作,導(dǎo)致電源端的自鎖發(fā)生。
若C427=100 nF,帶入上式,計(jì)算可得:T=0.545 ms
因Tpwm=10 ms,Tpwm on=0.5 ms,因此在PWM一個(gè)周期內(nèi),TIMER腳的電壓就有可能達(dá)到保護(hù)點(diǎn)Vt(2.8V min),從而導(dǎo)致自鎖的發(fā)生。這一點(diǎn)也和實(shí)際機(jī)器的現(xiàn)象模擬吻合。
因此在設(shè)定TIMER腳的參數(shù)時(shí),需考慮PWM的頻率以及機(jī)芯的最小占空比,只有綜合考慮以上因素后,才能準(zhǔn)確設(shè)置TIMER腳的參數(shù),防止恒流芯片在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的誤觸發(fā)。
3 結(jié)論
本文介紹了開(kāi)關(guān)電源中BUCK拓?fù)浼軜?gòu)的基本原理,并對(duì)應(yīng)用于目前LED TV電源背光驅(qū)動(dòng)上派生的BUCK恒流拓?fù)浼軜?gòu)的原理及工作過(guò)程進(jìn)行分析,重點(diǎn)介紹并深入分析了該BUCK恒流拓?fù)浼軜?gòu)結(jié)合恒流芯片在實(shí)際應(yīng)用中的遇到的典型問(wèn)題,給出具體原因和解決方案。大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)證明,本文所給出相應(yīng)的解決措施和思路在實(shí)際應(yīng)用中有效、穩(wěn)定且可靠,對(duì)后續(xù)使用該方案或類似的BUCK恒流驅(qū)動(dòng)方案具有借鑒和參考意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社.
[2] Abraham I.Pressman , Keith Billings,Taylor Morey著.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì).[M]第3版.北京:電子工業(yè)出版社.
[3] Steve Winder 著,謝運(yùn)祥,王曉剛譯.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).北京:人民郵電出版社.
[4] 楊恒著.開(kāi)關(guān)電源典型設(shè)計(jì)實(shí)例精選.[M].北京:中國(guó)電力出版社.
[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社.
本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第52頁(yè),歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用,并注明出處。
評(píng)論