步步驚心 超完整LED調(diào)光電路設(shè)計(組圖)
最近美國國家半導(dǎo)體公司開發(fā)直接連接雙向交流觸發(fā)三極體調(diào)光器,幾乎完全不會發(fā)生閃爍現(xiàn)象的LED驅(qū)動IC LM3445與評鑒基板。接著筆者組合評鑒基板與簡易雙向交流觸發(fā)三極體調(diào)光電路,說明LM3445的評基板鑒與電路設(shè)計的重點(diǎn)。
評鑒基板封裝LM3445、電源電路,以及周邊電路,評鑒基板使用雙向交流觸發(fā)三極體調(diào)光電路,輸入已經(jīng)受到位相控制的電壓,利用高頻切換器提供LED電流,LED驅(qū)動器設(shè)有可以控制流入LED電流峰值的降壓轉(zhuǎn)換器,動作時設(shè)定OFF時間超過一定值以上。動作上首先接受雙向交流觸發(fā)三極體調(diào)光電路的輸出電壓,接著檢測雙向交流觸發(fā)三極體的ON時段,再將此信號轉(zhuǎn)換成流入LED電流指令值,此時流入LED電流與雙向交流觸發(fā)三極體ON時間呈比例,就能夠沿用傳統(tǒng)白熱燈泡的調(diào)光電路。此外上記評鑒基板支持還主從結(jié)構(gòu),能夠以相同電流調(diào)光復(fù)數(shù)LED。
評鑒與電路整體架構(gòu)
圖1(a)是評鑒電路方塊圖;圖1(b)是雙向交流觸發(fā)三極體的調(diào)光電路,由圖可知本電路采取“Anode fire”方式,使用雙向交流觸發(fā)三極體的兩端電壓當(dāng)作驅(qū)動電壓,通過可變電阻VR后,使電容器C1充正電壓或是負(fù)電壓,此時不論極性,電容器C1的電壓一旦超過一定程度,觸發(fā)二極管通電會使雙向交流觸發(fā)三極體點(diǎn)弧,流入雙向交流觸發(fā)三極體的電流,即使超過一值仍舊持續(xù)通電,電流則流入負(fù)載。
圖中的二極管D1~D4與15kΩ電阻,連接于雙向交流觸發(fā)三極體的兩端,主要目的不論極性都能夠使電容器C1的開始充電電壓維持一定值,此外為避免受到商用電源極性影響,因此刻意將此整合成相同點(diǎn)弧位相的電路。由于雙向交流觸發(fā)三極體電路OFF時,不會完全遮斷電流,大約有15kΩ的阻抗值,為減少對評鑒基板的影響,本電路插入1kΩ的假電阻。圖1(c)是供應(yīng)評鑒基板的電壓波形,取電源的正弦波。
圖2是評鑒基板的電路圖,根據(jù)圖1(c)的電壓波形可知,輸出調(diào)光LED的電流要求各種技巧,第1調(diào)光必需指定流入LED的電流,因此評鑒基板若能夠從雙向交流觸發(fā)三極體的ON時段獲得信息,理論上LED只要流入與該時段呈比例的電流,LED就能夠沿用傳統(tǒng)白熱燈泡的調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光。
LM3445的ON時段在450至1350范圍,支持0%~100%的電流值指令,若以雙向交流觸發(fā)三極體的弧點(diǎn)角度θ表示,它相當(dāng)于1350~450范圍。
第2是輸入評鑒基板的電源,使用雙向交流觸發(fā)三極體進(jìn)行位相控制,因此無電壓時段,即使使用高頻切換電路也無法消除閃爍問題。上記電路為消除閃爍,未使用電容輸入型電路,改用填谷電路盡量減輕對電源的影響,因此本電路設(shè)置D4、D8、D9、C7、C9,以C7、C9串行電路使輸入的電壓峰值充電。
C7、C9相同容量時,各電容器的充電電壓是輸入電壓峰值的一半,換句話說輸入電壓峰值變成一半時,各電容器開始放電,輸入電壓峰值變成一半為止則以填谷電路動作,如此一來轉(zhuǎn)換器的輸入電壓能夠維持一定,同時還可以高頻使LED點(diǎn)燈。圖3是填谷電路與輸出、入電壓波形。由圖可知輸入電壓波形是雙向交流觸發(fā)三極體輸出整流后的波雙向交流觸發(fā)三極體的ON時段(角度),大于900時會變成一半,低于900時=1/2×sin(180-ON時段)=1/2×sinθ。
第3是LED的電流調(diào)整電路,并不是可以使降壓轉(zhuǎn)換器維持一定頻率方式,而是采用能夠使OFF時段維持一定的方式,因此設(shè)計上要求承受輸入電壓、LED電流大范圍變動。雖然動作頻率隨著輸入電壓與負(fù)載改變,不過本電路可以完全忽略LED的閃爍問題,輕易設(shè)定頻率范圍。評鑒基板的基本設(shè)計與動作方式,建立在上記3項設(shè)計核心技術(shù),除此之外為設(shè)定條件,電路上還要求其它各種技巧。接著以8個LED為范例,探討評鑒基板的電路定數(shù)。
降壓轉(zhuǎn)換部位的動作
圖4是降壓轉(zhuǎn)換部位相關(guān)電路圖,由圖可知它是由切換用FET Tr2、電感L2、續(xù)流二極管D10構(gòu)成降壓轉(zhuǎn)換部主要電路,除此之外電流復(fù)歸用電阻器R3、決定FET OFF時間的電容器C1、充電電路Tr3、R4、吸收波動電流的電容器C12、LM3445的內(nèi)部結(jié)構(gòu),鎖定轉(zhuǎn)換器的動作,細(xì)節(jié)忽略不詳述。圖中的L5是磁珠電感,它可以抑制續(xù)流二極管D10的逆回復(fù)電流。
Tr2 ON時,流入L2的電流取決于輸入電壓Vbuck與LED電壓VLED兩者的電壓差,最差情況LED的順電壓下降為3.99V,8個LED串聯(lián)需要31.9V。流入Tr2的電流除了受到電流指令最大值750mA的限制之外,有關(guān)對短路等異常電流的保護(hù),本電路備有電流限制器功能,不過Tr2正確動作的代價是輸入電壓最大值有極限。
IC內(nèi)部的起動電路一旦開始動作,GATE信號變成H,就會使Tr2 ON進(jìn)入行程。LM63445即使ON,電流的檢測不會以一定時間進(jìn)行,IC內(nèi)部的125ns延遲時間內(nèi),電流檢測電阻R3的電壓R3,利用內(nèi)部FET持續(xù)限制在0V,PWM與I-LIN兩轉(zhuǎn)換器的輸入維持L狀態(tài),這樣的設(shè)計主要目的是考慮Tr2 ON時,二極管D10的逆向回復(fù)電流很大,避免瞬間遷移至GATE信號變成OFF狀態(tài),轉(zhuǎn)換器可能無法起動。
延遲時間內(nèi)Tr2 ON時電流的過渡變化,Tr2的電流與L2一旦相同,就進(jìn)入檢測L2電流變化的行程,該電流檢測功能有所謂無效時間,因此降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓最大值時,為確實(shí)保障此延遲時間,如圖5所示要求最小200ns的ON時間。延遲時間之后隨著直線上升的L2電壓,R3的電壓也直線上升,該電壓經(jīng)過電流感測端子ISNS輸入至PWM轉(zhuǎn)換器,一直到電壓到達(dá)電流指令值為止,GATE信號維持ON狀態(tài)。評鑒基板的電流檢測用電阻R3大約1.8Ω,PWM的電流指令值最大值,750mV時為417mA,延遲時間與溫度有依存關(guān)系,大約100~160ns。
PWM轉(zhuǎn)換器進(jìn)行IC內(nèi)部產(chǎn)生的電流指令值與R3電壓比較,R3的電壓超過電流指令值,H的信號經(jīng)過內(nèi)部控制電路使GATE信號OFF。此外本電路還設(shè)置PWM轉(zhuǎn)換器不動作時的I-LIM轉(zhuǎn)換器,超過1.27V峰值會使GATE信號OFF抑制電流。Tr2 OFF時L2的電流移至D10,L2則以LED的一定電壓開始再設(shè)定(reset),L2的電流呈直線性衰減,磁束則被再設(shè)定(reset)。評鑒基板的此OFF時間取決于LED的電壓,主要理由在動作范圍,希望優(yōu)先正確進(jìn)行L2的磁束再設(shè)定。
決定OFF時間的電容器C11與定電流電路Tr3、R4,定電流電路利用LED的順向電壓,配合LED的電壓使電流流動C11,C11的電壓呈直線性上升,利用該電壓與時間呈比例的特性。定電流電路的動作非常簡單,配合LED的順定下降電流流入R4,Tr3的基準(zhǔn)電流配合Tr2的增幅率電流流動,由于流入Tr3集極(collector)的電流與流入R4的電流幾乎相同,因此C11內(nèi)部有一定電流流動,該電壓呈直線性上升,C11的電壓被輸入至LM3445的COFF則進(jìn)入COFF的比較器(Comparator),電壓一旦超過1.276V基準(zhǔn)電壓,再度使GATE信號移轉(zhuǎn)至ON狀態(tài),換言之OFF時間是與LED的電壓呈比例的值。
綜合上記結(jié)論可知,GATE信號ON時IC的COFF輸入,亦即C11在IC內(nèi)部以33Ω的阻抗值短路,此時C11的電壓幾乎維持0V,一旦進(jìn)入OFF行程就開始對C11定電流充電,亦即開始時間計數(shù)。接著以評鑒基板為例試算OFF時間。
假設(shè):
由此可之電感L2的再設(shè)定時間大約3.2μs。電感L2的再設(shè)定電壓是LED的電壓VLED,它是一定值。電流直線性下降,持續(xù)到FET的下個ON為止。L
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