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LED电路中的MAX16818驱动高亮LED电路图
降压-升压变换器的输入电流是非脉动方式,这不同于典型的降压-升压变换器的脉动输入电流,非脉动电流能有效降低EMI。高亮LED驱动器的简化框图如图1所示,在该电路中,高亮LED端电压为
图1 高亮LED驱动器的简化框图
在平均电流控制模式下,输入电流的反馈电压可用检流电阻检测,如图2所示。该电压送入电流误差放大器(CEA)的反相输入端。放大器的同相输入端为电流的控制电压。比较后的误差信号经过放大器放大后,送到PWM比较器的输入端,与斜坡信号进行比较。电流环路的增益带宽特性可通过CEA附近的补偿网络进行优化。
图2 采用平均电流控制模式(内部环路)的高亮LED驱动器
(1)电流环路补偿设计
MAX16818采用平均电流模式控制器,利用跨导放大器(transconductance amplifier)放大电流误差信号。检流电阻两端的电压由内部放大器放大34.5倍,电流误差放大器的跨导是550μS,锯齿波信号峰值为2V,输入电流在返回通路上由电阻Rs,检测。利用MAX16818构成的高亮LED驱动器如图3所示。
图3 利用MAX16818构成的高亮LED驱动器
高亮LED支路的最大电压为
式中,而是LED的数目;UFm(IF)是LED在满负荷电流年下的最大压降。
最大输入功率为
效率为η时,最大输入电流为
检流电阻值由平均电流极限设置,最小平均电流阈值为24mV,因而,检流电阻值为
为了避免控制器的PWM比较器输出自激,比较器反相输入信号的斜率应小于同相输入的锯齿波斜率。锯齿波斜率为Us×fs盂,电流误差放大器的增益GCA为
式中,gm是CEA的跨导。
放大器的输出为PWM比较器的反相输入信号,PWM比较器的同相输入是锯齿波,峰值为Us,开关频率为盂,这是电流误差放大器从检流电压(电阻Rs,的端电压)输入到放大器输出在高频端的交流增益,也是PWM比较器敏感频点处的增益。电流误差放大器的最大增益GCA,由下式决定。
式中,ULED(max)/L是输入电流的下降斜率。
从式(3-8)与式(3-7)可以得出RC的最大值为
由RC×CC决定的零点频率要低于电流环路的交越频率尻(crossover frequency),且要留有足够的相位裕量,这是确定CC值的标准。LED驱动器功率电路的小信号等效模型的零点频率fZ和极点频率fP可由以下公式推导得出。
升压调节器电流环路的小信号控制的输出增益,即RS的电压URS与UCA之比为
式中,RS为检流电阻;L为输入电感值;UIN直流输入电压;ULED是LED支路的总直流电压;岷为同相输入端锯齿波峰值电压;尻为电流环路的交越频率。
输入电流部分的总开环增益为式(3-12)和式(3-13)的乘积,将乘积设为1,即
(2)设计范例
设计有3条LED串联支路的驱动电路,输入电压范围为7~28V,开关频率为600kHz,电感为5.1μH。电路所需最大输出电流为1.2A,LED为1~4只,LED支路的最大压降为18V,总输出功率为Pmax=21.6W,CC=2000pF,CP=4pF。假定效率为90%,可以计算出最大输入电流为3.428A。如果设定检流电阻为0.007Ω,RC最大值可以由式(3-9)求得,即
因为极点频率需高于2倍开关频率,又由于这里选择了CP为4pF,则得到fP为1.693MHz。LED支路可以等效为一个电压源串联一个电阻。在该电路中,每个LED等效为3.15V(LED的正向压降)电压源串联一个0.6Ω的电阻。如果将3只LED串联,那么总的电压源电压为9.45V,总阻抗为1.8Ω。如果输入为9V,3只LED串联,则交越频率为
(3)PWM调光控制
LED亮度可以通过PWM信号控制,这种方法的原理是通过调整驱动器的导通时间来控制LED驱动器的输出电流。采用PWM调光方式时,LED驱动器的导通时间可调,其占空比与LED的亮度近似线性等比,即100%占空比对应最大亮度。
LED驱动器的输入电压为7~28V,LED电流通过电位器在0.4~1.2A范围内调节。LED支路可以串联1~4只LED。
图4(a)为采用3只串联LED(电流为0.8A,输入电压为7V)的测试波形图。示波器通道1为PWM调光信号,通道4为LED电流,该电流在PWM信号变高时会增大。而在图4(b)中,当PWM信号关断时,LED电流降为0。
图4 PWM调光过程中的波形图
从如图4所示的PWM调光过程中的波形图可以看出,用平均电流控制模式驱动LED的波形比较理想。同时可以方便地对该电路加以改进,以使PWM亮度控制电路实现较高的调光比。
如图5所示的PWM调光过程与图4采用了相同设置,与图4的唯一区别是测试条件不同(采用3只LED串联的电路的输入电压为14V)。如图5(a)所示的PWM调光过程为LED电流的上升过程,示波器通道1为PWM调光信号,通道4为LED电流。如图5(b)所示的PWM调光过程为LED电流的下降过程,示波器通道1为PWM调光信号,通道4为LED电流。
图5 PWM调光过程中的波形图
来源:小芬
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