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LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器(上)

发布日期:2017-08-02 阅读次数:6137

用低压电池驱动

LED

,所用的电池类型一般为可充电电池,如镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池等。电压范围为:1.2~24V(汽车内直流供电电压)。

  根据电池电压与LED正向压降的相对大小,可能出现以下几种情况:

  (1)电池电压低于LED的正向压降

  这是一种常见的情况,如想用一节干电池或镍铬/镍氢电池去驱动一只LED,或者用较高电池电压去驱动多只串联的LED,但电池电压低于LED串的正向压降,例如,在手电筒中用一节电池驱动LED,电池电压为0.8(1.65V,低于LED的正向压降,此时必须把它的电压升高,达到足以把LED点亮的程度。

  考虑到功率不大,可以采用电荷泵式升压变换器(或称开关电容式升压变换器)。如需用多只LED串联且功率较大,则可以采用电感升压变换器。它们都属于升压变换器一类的电源。

  (2)供给LED的电源电压在LED的正向压降附近变动

  供给LED的电源电压略高于LED的正向压降,在电池快用完电时,又有可能略低于LED的正向压降。为了配合锂离子电池工作,在要求尽可能小的体积和尽可能低的成本下,可采用升压-降压式变换器,或采用倍压式电荷泵电升压变换器。

  (3)电源电压高于LED的正向压降

  如电源电压较高,像太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、汽车内外的照明灯,供电电池电压可能为12V或24V,远高于一只LED的正向压降,此时可采用降压变换器,如线性的降压稳压器或开关型稳压器。普通的线性稳压器(如市售的三端稳压器件)效率较低,为了提高效率,在LED的驱动中,多采用低压差的线性降压稳压器(LDO,其输入、输出电压之差较小);或者采用开关型降压稳压器(又称DC/DC降压变换器),后者的效率较高,一般在LED驱动中大都采用它。

  考虑以上情况,笔者将通过三篇文章讨论LED的低压电源驱动问题,即DC/DC升压变换器、DC/DC降压变换器以及DC/DC降压-升压变换器,分析其工作原理、电路波形、特点以及所用的IC芯片等。本文讨论DC/DC升压变换器。DC/DC升压变换器又可进一步分成两种:电感升压式变换器和电荷泵升压变换器。

  1 电感升压式变换器

  1.1 电感升压型变换器的基本电路

  电感升压型(Boost)开关式变换器工作原理的基本电路如图1所示。图中方框代表控制器IC,它不仅集成了控制逻辑,还把开关管VT集成在里边,有时甚至将开关二极管VD(有的IC资料称之为同步整流器或简称为整流管)也集成在一起,使得外接元件数量很少,电路组成十分简单。但如果所驱动LED的功率太大,就要把开关管VT和开关二极管VD放在外面,而只把开关管的栅极驱动器集成在里边。

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

图1电感升压变换器的工作原理图


不难看出,电感升压型变换器电路的组成和开关电源及电子镇流器中的临界导通式有源功率因数校正电路十分相似。实际上,它们的工作原理也十分相似,在这里,经过开关管VT、升压电感L及开关二极管VD的共同作用,也能将输入电压提高,使输出电压高于输入电压。至于提升的多少则取决于开关管的导通时间的长短或开关的占空比D的大小,占空比D愈大,则输出电压愈高。但这类控制IC的结构比有源功率因数校正电路的控制器IC要简单得多,外接引脚数也少,使用起来十分简便。

  这种电路因为输入和输出是电连接在一起的,并无隔离,所以通称为非隔离型电源变换器。输入是较低的直流电压,输出则是较高的直流电压,并以恒流方式供给LED使之发光。

  由于工作电压较低,要求开关二极管VD耐压也较低,一般VD均采用耐压低而本身压降较小、开关速度较高的肖特基二极管,由于其正向压降小,故消耗功率低,有助于提高整个电源的转换效率。

  1.2 电感升压型变换器的工作原理和波形

  该电路的工作过程如下:

  (1)在控制器的控制下,开关管VT导通,在其导通期间(t1=ton),在输入电压VI作用下,有电流流过电感L及VT,此时,二极管VD是截止的。电感的电流从初始的谷值IV线性上升。初始值IV可能为零,也可能不为零(见图2)。如初始值不为零,则为连续导通模式(CCM),如图2(a)所示;如初始值为零,则为断续导通模式(DCM),如图2(b)所示。

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

图2 电感升压型变换器电路各点的工作电流波形


对于图2(a)的连续导通模式,在VT导通时,其满足以下关系式:

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  由于VI及L固定不变,电流上升的速率di/dt为常数,所以,在开关管导通期间(t1或ton),电感电流是线性上升的,由初始值IV向其峰值电流IP增加,在开关管结束导通时,电流达到其峰值IP.即在导通的持续期间Δt=t1=ton内,电流的增量为Δi=IP-IV,Δt=ton,所以:

 LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  或:

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  在开关管导通期间,由于电感电流线性上升,电感中储存的能量J=L×iL2/2也增加。VT导通时间愈长,电感所储存的能量也愈多,输出电压也越高。

  在开关管导通期间,二极管因受电容C上电压的反偏而截止,负载即电路所驱动的LED由输出电容C供电,依靠电容的放电电流使之发光。

  (2)当电流上升到某一峰值IP时,控制器控制开关管VT使之截止,此后电感电流由其峰值IP经二极管线性下降。由于L有维持其电流不变的能力,在电感上将产生感应电动势,电动势的符号为左负右正,它与输入电压相叠加,对输出电容C充电,所以电容电压即输出电压将超过输入电压,从而提升了输出电压。

  开关管VT截止、二极管VD导通的持续时间为t2=toff,在此期间,电流线性下降,并满足以下关系式VI+Ldi/dt=VO或LΔi/Δt=VO-VI,将Δi=IP-IV,Δt=t2=toff代入,则有:

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  由式(2)及式(3)消去(IP-IV),可得:

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  考虑到t1+t2=ton+toff=T为一个开关周期,并令其占空比为D=ton/T=t1/T,则根据式(3)、(4)(5)可得:

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  以G=VO/VI表示输出电压的增益,可得G=VO/VI=1/(1-D)。

  根据以上分析,可以得出以下结论:

  (1)由式(6)可知,输出电压高于输入电压,且与占空比D有关,与D呈非线性关系。增加占空比D,使开关管导通时间t1加长,则电感中储存的能量增多,显然,在输入电压不变时,输出电压VO提升的愈高。

  通过对占空比D的调节,可以在输入电压变化时,实现输出稳压,保持VO不变。

  (2)由图2可知,与负载串联的二极管的电流是脉动的、不连续的。流过LED的输出电流的直流分量等于二极管VD电流的平均值。为了供给LED连续而稳定的电流,在这种电路中,必须在输出端加输出电容C。

  (3)输入端的电流等于流过电感的电流,在连续导通模式下,电流是连续的,所引起的电磁干扰要比电子镇流器中临界导通模式有源功率因数校正电路的电磁干扰低,也比以后将要介绍的降压变换器电路的电磁干扰低。在降压变换器中,输入电流是脉动的、不连续的,所产生的电磁干扰要大得多。

  图2(a)是连续导通模式(CCM),(b)则是断续导通模式(DCM)。t1是开关管导通时间,t2是二极管导通时间。不论哪种情况,与负载串联的、流过二极管的电流都是脉动的、不连续的,都必须加滤波电容加以平滑。

  断续导通模式(DCM)大多出现在电感较小,负载较重,或者开关频率较低的情况,此时,t1+t2<T(开关周期)。可以证明,如D1=t1/T,D2=t2/T,则有:

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器


 在断续导通模式中,电压的提升不仅与功率开关管的开通时间t1有关,还与电感的大小、负载电流(

LED

电流)大小以及开关频率有关。

  在具体的IC电路中,为简化控制,或者保持开关管的开关频率(或开关周期T)约为1MHz左右的定值,或者保持其关断时间toff为定值,视具体控制电路而定。例如,安森美(On-semi)半导体公司的NCP5007保持toff=320ns;Catalyst半导体公司(该公司已被安森美半导体公司收购)的CAT37则保持开关频率为1.2MHz.至于开关频率大小的选择,要从多方面考虑。提高频率,可以允许采用较小尺寸的电感和滤波电容,但这样做之后,电路的损耗变大、效率降低;反过来,降低频率,可以提高电路的占空比以及输出电压,允许驱动较多的LED个数。所以频率的选择要折中考虑,不可片面追求某一个参数。

  1.3 电感L的选择

  在电感升压型变换器中,由式(2)可知,当VT导通时有:LΔIL/ton=VI,由此可得:

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  上式中占空比可按公式D=(VO+VD-VI)/(VO+VD)选择,式中V0为开关二极管串(可能为1个LED或数个LED)的导通压降;VD为开管二极管的导通压降,一般为0.3V,其值较小,有时可略去不计;纹波电流峰-峰值ΔIL则根据输出电流来设定,一般取ΔIL为输出直流电流IO的±(20~30)%.

  1.4 电感升压型变换器的优点及缺点

  1.4.1 电感升压式变换器的优点

  (1)效率高,可达到80%~85%,比开关电容升压式变换器高15%左右。

  (2)由于输出电压高,一般可以恒流驱动串联的LED串,保持其亮度一致。LED可以是一串,或者是先串后并的几串,根据其输出功率的大小、LED的电流,确定所能驱动的LED总数。例如美信公司的MAX1848最多可以驱动39只LED。

  (3)能在较宽的输入电压范围内保持输出电流稳定,并做到与LED要求的电流相匹配。

  (4)一般电路还具有调光功能(调节LED电流)以及一些保护功能如LED开路保护、短路保护、输出过压保护等,视具体芯片型号而定。

  1.4.2 电感升压式变换器的缺点

  (1)在电感升压变换器中需要采用电感升压,一般电感的体积较大,在整个PCB板中占较大的比例,价格也比阻容元件贵得多。为了降低电感的尺寸,一般都选用较高的开关频率,约在1MHz附近。这对电感所用的铁氧体磁芯的要求较高,并要根据流过电感的电流选择合适的磁芯尺寸,以尽量减少它的涡流损耗和磁滞损耗,降低电感的发热量。目前已有专门的供应商生产电感量一定、允许通过一定电流的电感。

  一般电感的尺寸和厚度均较大,对整个变换器的尺寸和高度来说,电感的尺寸(例如4.1×4.1×1.8mm3)占较大的份额,起决定性的作用。

  (2)电感升压式变换器所驱动的二极管串中的LED个数受最高输出电压的限制,如输出电压为40V,串接的白光LED个数不超过13个左右。输出电流则受输出功率的限制,在大电流下要考虑PCB铜皮导线的宽度,以免因其电流密度过大而烧毁铜皮导线。

  (3)流过电感输入端的电流是一些重复频率很高的三角波,像有源功率因数校正电路一样会产生比较高的电磁干扰(EMI)。在连续导通模式,输入电流起伏较小,干扰较轻;在断续导通模式,输入电流起伏较大,干扰较重。为满足对驱动电路的电磁兼容要求,在电路的输入端需要加抗电磁干扰的滤波电路。

  有时,为了防止电磁辐射,电感还要加磁屏蔽。不过在这类电路中,电流三角波的频率是固定的,尤其在连续导通模式,电流是连续的,起伏较小,且电路的功率较低,所以它所造成的电磁辐射干扰及传导干扰要比电子镇流器的有源功率因数校正电路轻得多。

  2 电感升压型变换器芯片举例

  2.1 NCP5007芯片

  电感升压型变换器芯片NCP5007是安森美(On-semi)半导体公司的产品,采用TSOP-5(SOT23-5、SCR59-5)封装,共有5条引脚。所有引脚都加了防静电的保护二极管(ESD),以免引脚受静电干扰而击穿。

  该芯片的主要用途是驱动白光二极管串,作为小屏幕LCD的背光照明用,例如手机的显示背光照明。

  但不具备闪光灯的功能(要用电流为350mA、功率为1W的白光LED做闪光灯)。


2.1.1 NCP5007的特点

  NCP5007有以下特点:输入直流电压范围为2.7~5.5V,输出电压可达22V,允许驱动5个串联的LED;可以调整输出电流的大小、使之与LED的要求相匹配,并保持此电流恒定;在输入电源电压变化的情况下,实现LED亮度的自动调整;IC内部有过电压保护、热关断保护;可通过加到FB脚的模拟电压或PWM信号调节流过LED的电流、对LED进行调光;IC静态的待机电流很低,只有0.3μA,这可以减少手机电池的功率消耗,延长电池的使用寿命。

  2.1.2 NCP5007的引脚功能

  NCP5007共有5条引脚,其排列如图3所示。

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

图3 NCP5007的引脚排列

  各引脚功能如下:

  (1)1脚FB

  1脚为反馈信号输入端。反馈输入为模拟信号,输出到LED的电流可以通过连到此脚的检测电阻加以检测,检测电阻的电压送到IC内部,能自动地使LED电流得到调整。输入此脚的可以是模拟信号,也可以是脉宽调制(PWM)脉冲信号。改变该脚的电阻或送到此脚的外加电压信号,可以改变LED的电流,从而调整其亮度(调光)。

  连到此脚的检测电阻如采用误差为±5%或精度更高的精密电阻,可以准确控制LED的电流(亮度)。

  如输入此脚与地之间的电压超过700mV,IC内部的比较器将自动关断NCP5007,使之停止工作。

  (2)2脚GND

  2脚是电源及模拟信号的地。必须保证良好接地,避免受火花影响造成误动作,PCB的走线要足够宽,免得电流密度过大,将地线烧断。

  (3)3脚EN

  3脚是数字信号输入端。当输入一个高电平的逻辑信号时,NCP5007开始工作。由于内部接了一个下拉电阻,所以当此脚悬空时,IC不工作;正常工作时,EN必须为高电平,可以直接和电池电源相连。

  输入的逻辑高电平应是标准的1.8V或CMOS逻辑高电平。在此脚加脉宽调制信号,也可以调整LED的亮度。

  (4)4脚VO

  4脚是功率输出端,即变换器的直流电压输出端。此脚与升压电感L和肖特基二极管相连,是一个提升了的直流电压。变换器工作于恒流输出,但其输出电压最高不能超过22V,一旦输出电压超过过电压(OVP)阈值,IC将进入关断状态。要重新启动它,可以在EN脚加一个由低到高的逻辑信号,或关断电池电压后再重新接通。

  此脚应用大电容旁路到地,以免过压保护(OVP)误动作。电容值在1.0~8.2μF之间,且应当用等效串联电阻(ESR)小的陶瓷电容器,其ESR<100mΩ。

  (5)5脚Vbat

  5脚为电池电源输入端。外接电池的正极接此脚,此脚应当用高品质的电容旁路到地,可用4.7μF/6.3V、ESR低的电容器,建议用X5R或X7R的陶瓷电容,连接电容器时尽量让它靠近2、5脚。

  升压电感L应按式(8)来选择,由设计者根据需要自行设定ΔIL值,它可以为IO的±(20~30)%。


电感L的一端与5脚Vbat相连,另一端则与开关二极管相接。在此电路中,电感L的典型值为22μH.如输出电流超过20mA,电感的直流电阻最好低于0.15Ω,以免使电源转换效率降低。采用较大的电感可以使输出电流更稳定些、纹波更小一些。为了减小电感的尺寸,一般开关频率都比较高,在1MHz左右。

  电感L应采用高频铁氧体磁芯,和开关频率相适应。

  磁芯尺寸要能承受一定的额定电流,以免工作时饱和,损耗太大,降低电源转换效率。

  电感虽然是非标件,但在升压变换器中使用的电感值大多是固定的,目前已有专门的供应商提供各类规格的电感。

  2.1.3  用NCP5007组成的驱动LED的电路

  图4是用NCP5007组成的驱动LED的电路,外接元件很少。为了减少损耗,升压二极管VD1采用肖特基二极管(例如MBR0530),它的导通压降较小,可以提高整个电路的效率,并具有开关电路所需要的快速恢复的特点。开关二极管只在开关管截止时导通,所承受的最大反峰电压等于输出电压,平均电流等于正常工作时的输出电流。在一般此类电路中,电流额定值为1A、反向电压为20V、30V、40V的肖特基二极管都可应用。如Zetex公司的ZLLS400、ZLLS1000、ZHCS400、ZHCS1000,其反峰电压为40V,平均电流为0.4A、1A.有的IC为简化外接电路,将开关二极管VD1也集成在IC中,使外接元件数量更少。

  图4中,发光二极管采用串联连接、恒流驱动,保持LED发光亮度一致。R2为LED电流检测电阻,改变其阻值,可控制流过二极管的电流和亮度,使输出电流与LED要求的电流相匹配。在驱动10mA的LED做背光照明应用时,可采用电容C1=4.7μF、C3=1μF,电感L=22μH,VD1为MBR0530,R2=22Ω(LED电流为9mA)。

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

图4 由NCP5007驱动LED的电路

  图4电路的工作情形和图1的说明完全一样,各点的电流波形和图2所示也一致。在t1(ton)期间,内部MOS管导通,电流从其初始值IV线性上升,其最大峰值IP为350mA.此时电感储存的能量随电流的增大而增加。在t2(toff)期间,MOS管截止,电感电流由其峰值线性下降,电感的感应电动势和电池电压相加对电容C3充电,使输出电压高于输入电压。在t2结束时,电感电流下降到其谷值IV。

  在芯片NCP5007中,并没有一个固定的时钟频率,只是让VT的截止时间(toff)保持不变,其典型值为320ns.设要求输出电压VO为22V,电池电压Vbat=VI的典型值3V,电感为22μH,则根据前面推导的公式(4)有t2=toff=(IP-IV)L/(VO-VI),或ΔI=IP-IV=toff(VO-VI)/L,代入具体数值,得ΔI=IP-IV=320×10-9×(22-3)/22×10-6=276(mA)。根据此最大电流值,可以选择电感磁芯的尺寸。

  已知VT的截止时间(toff),由式(2)、(4)消去IP-IV,可得t1、t2之间关系如式(9):

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  从而可求出VT的导通时间t1,代入具体数值,得:

  t1=ton =(22-3)×320×10 -9/3=2.02(μs)

  最后计算出开关频率为:

  f=1/( t1+ t2)=1/[(2.02+0.320)×10-6]=427(kHz)


2.1.4 NCP5007对

LED

电流的调整

  流过LED的电流由图4中的电阻R2调整。反馈脚FB在IC内部与误差放大器的反相端相接(见图4虚线内部框图),它的同相端接基准电压Vref=0.2V(为了减少损耗,一般基准电压都比较低,使R2上的压降也低,有的IC基准电压更低,只有0.095V)。根据虚地原理,VR2=Vref=0.2V,从而可得:

  改变电阻R2值,可以改变LED的电流。不难算出:

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

  当R2=40Ω、20Ω、13.3Ω、10Ω时,LED的电流ILED分别为5mA、10mA、15mA、20mA.

  由于误差放大器的控制,即便电池电压发生变化,流过LED的电流也能保持恒定不变,满足电流匹配的要求。

  2.1.5 NCP5007实现调光的方法

  对LED的调光,还可以通过给NCP5007的FB脚加直流电压、经R、C滤波后的PWM信号或逻辑信号来实现,其具体电路如图5所示。

LED低压驱动电源—DC/DC升压变换器

图5 NCP5007的三种调光方式

  (1)在FB引脚加可变的直流电压VDC,随VDC的增加,R2上的电压减少,LED的电流下降,亮度降低。

  这种调光改变了LED的电流,而LED在不同的电流下发出光的颜色是不同的,因此这种调光方法可能会引起色偏。

  (2)将PWM信号用RC滤波后加到FB脚,PWM信号的频率为5~40kHz,利用PWM的电压信号使LED导通和关断,LED电流在零和额定电流之间切换。它不改变LED的电流幅值,而只改变电流脉冲的宽度,即改变其占空比,以调节电流的平均值来调光。只要PWM调光的频率足够高,人眼没有闪烁感觉就可以了,它能够避免出现色偏的缺点,其调光范围大于20∶1。

  (3)将逻辑信号加于MOS管的栅极,当MOS管导通时,由电阻R1确定LED电流,当管子截止时,由R2确定原来的LED电流,维持原来的电流不变。

  以上这几种调光方法在其它的IC电路中也有采用。它的优点是比较简单。直流电压调光是通过调整流过LED的电流大小来调节亮度的,在调节电流后,LED不能始终在最佳的效率点工作;而且,LED在不同的电流下发出光的颜色也会不同,所以调光后会出现色偏(通过改变电流以特意改变LED的颜色的情况除外)现象,这是它的缺点,显然不及用较高频率的PWM调光好。


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