常见PWM开关控制信号产生部分大都实现了集成化,更加精简PWM开关电源的设计,下面介绍利用芯片HV9910B设计适用于大功率LED的典型PWM方式开关驱动电路。
2.2 电路设计
HV9910B是一种通用LED驱动控制器,它的适应性强,即可使用国际通用的市电供电,也可以用蓄电池或者太阳能供电,而且能够接受范围较宽的输入电压。输出的恒流驱动电流范围极宽,从几十mA到1 A以上。使用HV9910B搭建的驱动器使用器件较少,电路简单,生产成本也会降低。由HV9910B设计的LED恒流驱动电路如图2所示,输入为AC 220 V的市电,负载为10只功率为1 W的LED串联组成阵列。
电路输入级由全波整流桥和一个滤波电容组成,完成对交流电的整流滤波。控制级由HV9910B芯片搭建,经输入级滤波后的电压输入到芯片的Vin,作为电路的输入电压VI,其峰值是310 V,均值为190 V。VDD、LD、PWMD端通过电容器接GND端,以维持相应引脚的片内电压。由GATE端输出频率一定的方波脉冲信号作为开关信号控制开关管,其频率由RT端所接的电阻设定,脉冲宽度由CS端采样电阻RCS反馈的LED电流信号控制。电感L1电路中起着至关重要的作用,为驱动电路提供滤波和储能以及续流供电,以保持负载中电流的均衡性,恢复二极管完成构建续流通路的作用。在开关信号开通半周内,由前级滤波后的电势向LED负载直接供电,并给L1充电;在开关信号关断半周内,由充满能量的L1给快恢复二极管、LED组成的回路供能,实现在一个周期内完成对LED的持续驱动。
2.2.1 电路参数计算和器件选择
参考芯片的使用手册和具体电路要求可以确定芯片的外围器件参数,首先必须确定电路的工作频率。由RT引脚接阻值为226 kΩ~1 MΩ的电阻,设定GATE引脚输出的开关信号频率。该频率的选择与电感L值和开关管性能有关,一般在市电供电条件下,频率选择在25~150kHz。当选择过高频率时,需要的电感值较小,但对开关管的要求很高,此时开关管功耗比低频工作时大很多。试验中,先设置到100 kHz开关频率,在没有散热的情况下MOSFET发热量大,极易烧毁。当频率设置到26 kHz时,计算所得电感很大,在工作状态中电感上消耗过多能量,也不适合电路的高效率工作,所以开关工作频率选50 kHz。
LED的驱动电流设定为0.35 A,根据芯片手册中提供的计算公式可得到RT值为478 kΩ,在设计允许范围内可以使用470 kΩ电阻用作RT,采样电阻RCS=0.62 Ω。
电感L1取值与LED电流的纹波值有关,一般限制纹波系数最大为0.3,电感值的计算公式为
3 电路测试
对所设计的PWM开关驱动电路进行电路搭建,并采用数字电压表,交流功率计,示波器等实验仪器对其实物电路的工作状态进行了测试。在电路正常工作情况下,对电路中的2个关键点的电压波形进行测试。
图3为施加到开关器件栅极的PWM开关控制信号波形,其周期为14μs,幅值8 V,占空比8.3%,周期和预设值有一定差距,这主要是电阻RT阻值误差造成的频率设置偏差。图4是LED负载中电流的波形。测量过程是在LED负载回路中串入0.5 Ω电阻测量其两端的电压波形,利用电阻的线性特性来反映电流特性。从波形上看,电流按照锯齿波形周期性变化,峰峰值为40 mV,计算得到其电流纹波为80 mA,输出电流均值为350 mA,经过汁算得到其纹波系数为22.9%。
电路的输入功率PI实测为9.9 W,负载消耗功率Pout为8.7 W,则该电路的转换效率为87.8%,和对电路效率理论计算所得值相近。
经过对电路的关键点波形测量,和对电路功率的实测,得到该电路工作在71 kHz的频率开关状态,工作状态稳定、输出功率大、效率较高。但是电路的输出纹波系数偏高,致使安全工作中LED的发光照度不会达到其最优值,还需要对电路输出滤波部分进一步改进提高。
4 结束语
通过分析了解LED发光性能和电气特性,得到使用恒流电源驱动、串联方式连接LED阵列的驱动要求。在PWM方式开关电路原理的基础上,设计出了基于HV9910B芯片的典型PWM方式开关电路,通过实验测量确定其最佳工作频率,较好地完成了对白光大功率LED的照明驱动。通过理论计算和实际测量,发现开关LED驱动电源有着较为优越的电路转换效率,工作电压范围宽,恒流输出和转换效率超过85%的特点。但是要更安全地驱动白光LED进行日光照明,就需要对开关电路的输出进行更为优秀的滤波处理,使电路的输出纹波更小,电流更平稳。
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