-LED灯的恒流驱动芯片介绍

LED灯的恒流驱动芯片介绍（上）1LED简介发光二极管(LED)是一种固态光源，利用半导体中的电子和空穴相结合而发出光子，每种LED所发出的颜色取决于光子的能量而光子的能量又因其制造材料而异。同一种材料的发光波长很接近，因此每颗LED的颜色都很纯正，最常见的一般亮度的红色和草绿色。LED晶粒尺寸小，颜色种类多，使用时排列方式又有很大的灵活性，这是它比一般光源优越的地方;另外他光源相比还具有较高的光效和更高的可靠性，供电的方法也比较简单。LED特别适合用作显示光源。例如，早期LED主要应用于各种仪表、室内音响、电器面板，或用于资讯和状态显示活动字幕等。LED亮度的逐渐增强，LED也逐渐由室内扩展到户外应用，例如户外广告、交通信号、夜景装饰照明、道路照明等大多仍限于上述的特殊照明，其缺点是光束较集中，每流明的成本较高，与一般的照明要求尚有一段距离。但世界各国特别是美国和日本都把这种固态光源看作最具有发展前景的照明光源，并为研发应用于一般照明的白光LED而投入大量的人力和物力应用于普通照明，我国也为此制定了中长期的研发规划。与一般的半导体PN结一样，LED的正向导通压降随导通电流的变化并不大，一般为3.5V左右，正向压降约有±16.6%所示(资料来源为LuxeonStar的技术数据，表2和图1也来自该公司的数据)，不同颜色的LED的导通压降也不尽表1LED的电特性(电流为350mA、结温Tj=25℃时)表2LED的光特性(电流为350mA、结温Tj=25℃时)LED的发光强度随其发光颜色不同而有所差异，如表2所列。其正向压降VF和光强则随其电流变化而变化，如图不难看出，LED的照度随其通过的电流增加而增加，电流大，光输出及照度也大;但其压降变化并不大。所以，LED而且是恒流的，流经管子的电流为定值，以保持稳定的光输出。作为LED的驱动芯片，要求其输出具有恒流特性供电。图1LED的正向压降和照度随电流的变化曲线在了解了LED的特点和光电参数之后，我们有选择地介绍一些恒流驱动LED芯片，本文拟介绍ST公司的芯片Viper12/22A我国昂宝公司的3种芯片。这类驱动芯片就其工作原理来说，大同小异，只要弄清楚一种，其他的也不难理解。下面着重介绍一下Viper12/22A芯片。恒流驱动芯片之一:Viper12/22A芯片Viper12/22A芯片是一种开关电源芯片，具有恒流输出特性，主要用来驱动发光二极管(LED)，或做电池充电适配器和监视器的备用电源、马达控制器的辅助电源等等。2.1Viper12/22A的特点Viper12/22A是一种专用的电流模式PWM控制器，其中含有一个高压功率MOS管，同控制器集成在同一块硅片上，共有8条引脚(功能引脚仅为4条)。内部的控制线路使芯片具有以下特点:采用脉宽调制，脉宽调制的开关频率是固定的，为60kHz;(2)VDD脚电压范围很宽，为9～38V，能够适应辅助电源的变化，这一点特别适合于充电器的应用(在充电时，电池电压逐渐辅助电源电压也随之变化);在轻负载下(MOS管漏极电流只有最大极限值IDlim的12%时，例如几十毫安)电路进入自动突发模式(Automaticburst，为适应电路调整的要求，MOS管开通时间会变得很短，以致要丢失几个开关周期才出现脉冲，故称为突发模式则工作在打嗝模式(Hiccupmode);采用电流模式控制的脉宽调制;(5)VDD有欠电压封锁功能、且有回差;有过温、过流、过压保护功能，并能自动再启动;驱动能力:在输入为195～265VAC下，SO－8封装的IC为8W，DIP－8封装的为13W;在输入为85～265VAC封装的IC为5W，DIP－8封装的为8W。Viper12A或Viper22A驱动LED时，根据LED的功率大小，所能驱动的LED数量如表3所列。表3Viper12A和Viper22A所能驱动的LED数量由于每个管子的导通压降3.5V，Viper12A和Viper22A的输出电压根据所驱动的LED数量，可能从最低的3.5V2.2Viper12/22A的方框图Viper12/22A的方框图如图2所示。Viper12/22A对外部的功能引脚为4条:即VDD、SOURCE(源极)、DRAIN(漏极图2Viper12/22A的方框图(1)VDD(4脚):IC控制线路的电源，在IC内部，由一个有回差的比较器来监控VDD电压。比较器有2个阈值:VDDon(典型值为14.5V)，在此电压下器件开始开关振荡，并关断启动电流源;VDDoff(典型值为8V)，在此电压下器件并接通启动电流源。(2)SOURCE(源极1、2脚):功率MOS管的源极，电路的接地点。(3)DRAIN(漏极5、6、7、8脚):功率MOS管的漏极，内部的高压电流源也连到此脚，在启动时，该电流源对VDD(4)FB(3脚):反馈输入，其电压范围为0～1V。通过反馈改变流入FB脚的电流及电压，来调整MOS管的漏极电流及输出电流。当FB脚电压为0时，漏极电流最大IDlim。用Viper12A组成的LED恒流驱动器电路Viper12A组成的LED恒流驱动器电路如图3所示。电路的输出电流为0.35A，输出电压为13.5～14V。图3Viper12A恒流驱动LED的电路2.3.1电路的工作分析电路各部分的功能如下:交流电压经过防浪涌电流的电阻R1后，由整流桥整流，电容C1滤波，作为Viper12A的MOS管的漏极直流电源，降压变压器原MOS管的交流负载，变压器降压副边绕组的电压，通过二极管VD3整流，C7滤波，输出直流电压，加到端子1。LED的电流由ICViper12A控制器控制，保持为恒定值。变压器的辅助绕组经VD2整流、C4滤波为IC提供电源VDD。为满足电磁兼容(EMC)要求，采用的滤波电路由共模电感L1及电容C1、C2构成;电阻R2及电容C3是变压器原边的缓冲网络)，用以消除变压器原边绕组在开关过程中出现的过电压，以保护MOS管。电容C5也是EMC滤波电容，接在输入地及输以减少对外电路的电磁干扰。控制电流的恒流过程如下:的电流由电阻R6检测，经R10加到双运放TMS103中一个运放的反相端V2－，其同相端V2+则由基准电压VREFLED的输出电压则由电阻R15、R16分压加到TMS103的另一个运放的反相端V1－，其同相端V1+则直接由基准电压个运放的输出相“或”后，加到光耦器件H11A817A的发光二极管的下端，作为反馈输入，由它控制光耦器件的电流Viper12/22A的FB端的电流，借以调整IC的输出脉冲宽度，改变MOS管的漏极电流，从而使Viper12A的驱动具有恒流。有关反馈脚FB如何控制器件的工作，我们下面将专门加以介绍。2.3.2FB脚对功率MOS管漏极电流的恒流控制作用与普通受输入电压控制的PWM不同，FB是受输入电流控制的，如图4所示的那样。图4是图3的一部分，图中还画出了内部的有关部分，以便于说明FB脚的控制作用。管流出的监测电流IS，其大小与MOS管的主电流ID成正比。电流IS与由FB脚送来的反馈电流IFB相叠加，在脉冲控制下流过变压器原边的电流是一个线性上升的电流，所以IS也是一个线性上升的电流，当上升到其峰值，且在上产生的电压和比较器的基准电压0.23V相等时，MOS管关断，电流不再增加。此时有：：MOS管的漏极电流峰值IDP与IS成正比，而IS又受IFB控制，所以漏极电流峰值：表明:IS受IFB控制，IFB越大，则IS越小，MOS管的漏极电流峰值IDP亦越小;反之亦然。VFB=0时，电流自FB脚流出，IFB=－0.23V/R1，MOS管的漏极电流峰值IDP最大，其最大极限值：图4FB脚的电流控制示意图在实际应用中，FB脚是连到光耦器件的，如图4所示，不可能短路到地，漏极电流达不到式(3)所表示的最大值。启动或短路)，电容C6上的电压将非常接近于0V。此时，漏极电流峰值IDP接近其最大极限值IDlim。上述VFB、进而控制MOS管的最大漏极电流峰值的图解示于图5中。由图5可知，IFB愈大，则IDP愈小;反之，。当IFB为负值且VFB为0时，漏极电流峰值IDP为最大，并以IDlim表示之。如果输出端由于某种原因使LED的电流减少，则送到双运放TSM103的一个运放的反相端V2－的输入电压降低，运放的输出将光耦器件的发光二极管下端电位提高，使流过光耦器件的电流减少，进而使IFB电流减小，通过FB脚的控制作用，的漏极电流峰值IDP增加，结果流过LED的电流上升，进而保持其电流为恒定的。反之，如LED的电流由于某种原因有所增加脚的控制作用，外接MOS管的漏极电流峰值IDP减少，也能使流过LED的电流保持恒定。图5FB脚电流IFB对MOS管漏极电流峰值IDP的控制通过改变图3中LED的检测电阻R6的阻值，例如减少为其原来的一半，即R6=0.25Ω，则Viper12A恒流值可以提高为的阻值减少为原来的1/3，即R6=0.167Ω，则Viper12A恒流值可以提高为1.05A。以上2种情况分别可以用来驱动5W(Io=1.05A)的LED。2.3.3电路中变压器的设计在恒流输出的电源中，变压器的设计是很关键的。因为IC器件可能驱动1～4个LED，输出电压可能在3.5～14V输出电压反射到原边，从而改变控制电路IC的电源电压VDD以及MOS管的漏源电压Vds。在设计变压器时必须考虑到以下(1)VDD在低电压时为9V，在过电压时，最多为38V;(2)Viper12A的功率为8W;Viper22A的功率为12W;(3)反射到漏源电压等于(NP/NS)Vo，加上输入直流电压后，必须低于730V。变压器的原边与副边的匝比应根据外接LED数目为最大时设计，当外接LED减少时，变压器的反射电压亦随之减少进行设计，则当LED增加为4个时，变压器的反射电压将增加4倍，就有可能超过Viper耐压的额定值。副边绕组与绕组的匝比则应根据1个LED时、VDD的最低电压为9V来设计。当LED增加为4个时，VDD亦将按比例增加。根据以上原则设计的变压器参数如下:原边电感为3.25mH，±10%;原边漏电感的典型值为39.9μH;原边绕组与副边绕组之比为1∶0.117(180圈∶VDD绕组之比为1∶0.283(180圈∶51圈)。Viper12A/22A导通时，变压器的原边绕组储存磁能;而当Viper12A/22A截止时，能量将转移到副边绕组和VDDViper12A/22A提供偏压，并为驱动LED灯提供能量。电路的缺点是:电路比较复杂，需要另加光耦和运放，成本也较高。优点是不用外接MOS管，占面积小。用Viper22A组成的LED恒流驱动器电路Viper22A的功率稍大，其驱动LED的电路与图3相似，如图6所示。这里对电路的工作亦不再过多说明(在变压器原边绕组加二极管及稳压二极管是为了限制在开关过程中出现的反峰电压)，读者参照图3，不难了解每个元件的作用。用Viper22A组成的非隔离型LED驱动电路LED供电电路，其输入的中线和输出的地线并没有接在一起，它们是不共地的，通常叫作隔离型电源(IsolatedpowerLED也可以采用输入、输出共地的非隔离电源(Nonisolatedpowersupply)供电。其形式如图7所示。在这个电路中输入电压经半波整流、EMI滤波电路将直流电压加到Viper22A的DRAIN脚，而由其源极输出经L2、C6滤波后的直流电压为输出电压还经二极管VD3加到VDD端为IC供电。电路中输入电压的中线和输出地接在一起，所以它是一种非隔离电源由于输入电压降压后直接输出去驱动LED管，故又称为降压型电路。此电路比较简单，成本较低。稍微改变一下元件参数，可以得到不同的输出电压和电流。它适用于驱动小型的LED显示器、继电器、AC开关等。图6用Viper22A组成的恒流LED驱动器电路图7输出为12V、350mA的非隔离型电路Viper22A的输出为12V、350mA或16V、350mA，Viper12A的输出为12V、200mA或16V、200mA。同样的电路还可以输出。在了解了LED的驱动芯片工作原理之后，