LED燈驅(qū)動電源電路圖-詳解LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方案原理圖詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-05-25
根據(jù)驅(qū)動電路的輸出特性，白光LED閃光燈的驅(qū)動電路可分為恒壓型和恒流型；按電路工作原理，可以分為電感升壓電路和電荷泵電路。白光LED是電流驅(qū)動型器件，其亮度與電流成比例關(guān)系。在恒壓型驅(qū)動電路中，往往有一個電阻與白光LED串聯(lián)，用來設(shè)置產(chǎn)生預(yù)期白光LED正向電流所需的電壓。這種方式有一個缺點(diǎn)，即白光LED正向電壓的任何變化都會導(dǎo)致白光LED電流的變化，從而無法保證流過白光LED的電流等于預(yù)設(shè)置值，也就無法確保白光LED的亮度恒定。而在恒流型驅(qū)動電路中，是通過檢測串聯(lián)在白光LED回路電阻的電壓來保證流過白光LED的電流恒定的。這種方式可以消除由正向電壓變化而產(chǎn)生的電流變化，因此白光LED可產(chǎn)生相對恒定的亮度。
由于移動電話的鋰離子電池的工作電壓范圍一般為3.*.2V，而白光LED的正向電壓一般為3～4V，且白光LED閃光燈一般為多個白光LED串、并聯(lián)在一起，以提供閃光功能所需的光通量，所以在低電壓輸入、高電壓輸出的時候，必須采用升壓電路將電壓升高以驅(qū)動白光LED。驅(qū)動白光LED閃光燈時一般采用兩種方式升壓，一種是采用以電感為儲能元件的升壓式變換器，另一種是采用以電容為儲能元件的電荷泵。采用以電感為儲能元件的升壓變換器的優(yōu)點(diǎn)是效率相對較高。
現(xiàn)在的白光LED閃光燈驅(qū)動控制器都集成了控制電路和升壓開關(guān)管，但是電感和用于續(xù)流的肖特基二極管還是外接的，這增加了電路的復(fù)雜性、成本和PCB面積。此外，由于閃光燈驅(qū)功電路、LED閃光燈顯示屏、移動電話的天線一般位于移動電話上端，與移動電話的射頻電路靠得很近，所以有效防止驅(qū)動電路電感的EMI干擾也是很重要的問題。圖1是采用電感升壓變換器驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED的典型應(yīng)用電路。電荷泵采用電容作儲能元件，且不需要外接電感，因此不存在電磁干擾的問題。此外，整個解決方案所占PCB的面積也較小，但相對來說效率較低。由于閃光燈工作時間非常短，持續(xù)時間一般為100～300ms，所以其效率對電池使用時間的影響不是太大。圖2是采用電荷泵驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED的應(yīng)用電路。
圖1 采用電感升壓變換器驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED
圖2 采用電荷泵驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED的應(yīng)用電路
在白光LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)中，有兩個參數(shù)會影響設(shè)計(jì)方案的選擇，一個是白光LED正向電壓，另一個是電源的工作電壓。電感式升壓變換器通常用于驅(qū)動串聯(lián)的白光LED，它能夠產(chǎn)生充是的輸出電壓，以提供可被編程的驅(qū)動白光LED電流。采用這種驅(qū)動方法時，因?yàn)闊o論正向電壓高低，所有的白光LED都能獲得相同的電流，又因?yàn)榘坠釲ED的亮度與流經(jīng)白光LED的正向電流成正比，所以白光LED陣列的亮度非常均衡、和諧。
電荷泵可以產(chǎn)生值為輸入電壓整數(shù)倍的輸出電壓。若要提高其擴(kuò)大倍數(shù)，需增加泵電容和開關(guān)電路，因此電荷泵的實(shí)際輸出電壓被限制為了2倍的輸入電壓。雖然有些電荷泵能夠提供分?jǐn)?shù)倍輸出電壓（1.5倍），但是需要2個泵電容。
因?yàn)?倍壓是最方便的升壓倍數(shù)，考慮到白光LED典型的正向電壓，則電荷泵方法主要用于驅(qū)動并聯(lián)的白光LED。因?yàn)槊總€并聯(lián)支路的白光LED必須獨(dú)立控制，這必然會導(dǎo)致白光LED陣列之間出現(xiàn)輕微的亮度失諧，這種亮度失諧現(xiàn)象在電荷泵驅(qū)動方法中是不可避免的。
與整數(shù)倍壓電荷泵驅(qū)動方法相比，電感升壓變換器的效率更高。改用分?jǐn)?shù)倍壓電荷泵雖然可以提高性能，但是其遠(yuǎn)不如電感升壓變換器設(shè)計(jì)方案。因?yàn)樵陔姼猩龎鹤儞Q器設(shè)計(jì)中，白光LED是串聯(lián)的，所以升壓控制器與白光LED之間只需兩條PCB走線。這在設(shè)計(jì)上是一個很重要的優(yōu)勢，例如，如果白光LED的數(shù)量發(fā)生了變化，或者單獨(dú)安裝在一個相機(jī)閃光模塊上，則電感升壓變換器的設(shè)計(jì)很容易適應(yīng)這種變化，而采用電荷泵方案的PCB必須完全重新設(shè)計(jì)。
雖然電感升壓變換器設(shè)計(jì)的引腳數(shù)量少，且允許使用比電荷泵設(shè)計(jì)更小的封裝，但是電感升壓變換器需要電感器，這會導(dǎo)致占PCB的總體面積變大、變厚。另外，與電荷泵設(shè)計(jì)中的泵電容對比，其外接電感器成本昂貴。另外，電感升壓變換器的噪聲通常比電荷泵高，因此為了限制或避免不同組件之間的干擾，需要更精確的設(shè)計(jì)。
原理分析：為了方便分析，我把它分成幾個部分來講，盡量分的細(xì)一點(diǎn)來講，如下：
1：輸入過壓保護(hù)---主要是雷擊或者市沖擊帶來的浪涌）
2：整流濾波電路---將交流（或者是直流）變成直流的過程
3：箝位電路---------主要是吸收變壓器工作時產(chǎn)生的尖峰和反向電動勢
4：IC工作過程--------主要是IC的供電原理，變壓器的工作方式，電壓變換過程。
5：輸出整流---------將交流再次變成平滑理想的直流電壓過程
6：恒流原理---------電路中穩(wěn)定輸出電流控制過程分析
首先電壓從“+48V、GNG”兩端進(jìn)來通過一個R1的電阻（這個電阻的作用就是限流，當(dāng)后面的線路出現(xiàn)短路時，R1流過的電流就會增大，隨之兩端壓降跟著增大，當(dāng)超過1W時就會自動斷開，阻值增加至無窮大，從而達(dá)到保護(hù)輸入電路+48V不受到負(fù)載的影響）限流后進(jìn)入整流橋，另一方面R1與旁邊的MOV1構(gòu)成了一個簡單過壓保護(hù)電路，MOV1是一個壓敏元件，是利用具有非線性的半導(dǎo)體材料制作的而成，其伏安特性與穩(wěn)壓二極管差不多，正常情況顯高阻抗?fàn)顟B(tài)，流過的電流很少，當(dāng)電壓高到一定的時候（這里主要是指尖峰浪涌，如打雷的時候高脈沖串通過市電串入進(jìn)來），壓敏MOV1會顯現(xiàn)短路狀態(tài)，直接截取整個輸入總電流，使后面的電路停止工作，這時候，由于所有電流將流過R1和MOV1，因R1只有1W的功率，所以瞬間可以開路，從而保護(hù)了整個電路不被損壞。
當(dāng)+48V電壓進(jìn)入整流橋D1時，輸出一個上正下負(fù)的直流電壓（這里我要說明一下，如果+48V是交流的那么直接整流，如果+48V電源本身也是直流的，那整流橋的作用就是對輸入起到的是極性保護(hù)作用，無論輸入是上正下負(fù)還是上負(fù)下正都不會損壞驅(qū)動電源）通過C1\C2\L1進(jìn)行濾波，這是一個LC Π型濾波電路，目的是將整流后的電壓波形平滑的直流電。
這個箝路電路存在的理由其實(shí)就是保護(hù)IC里面的MOS管，其過程為－－整流濾波以后的電壓分成2路，一路通過變壓器繞組后進(jìn)入IC TK5401的第7、8腳，這個我們等下在后面來講，先看箝位這一路，這路是通過R1、C3、D2然后也連到7、8腳，這個R1、C3、D2就組成了一個簡單的箝位電路，主要功能就是用來吸收尖峰和浪涌的，這和剛才輸入那個MOV1是不一樣的，MOV1主要是防止打雷或者市電沖擊起到保護(hù)作用，這個箝位它的功能是吸收變壓器T1繞組兩端的反向電動勢，以消除自激振蕩，說白了就是快速復(fù)位的意思，為變壓器進(jìn)入下一個周期做好準(zhǔn)備，因?yàn)槿绻儔浩鞯貌坏綇?fù)位就會飽和，這樣就會失去感抗，這個R1和C3就組成了一個RC充放電回路，用來反向積累的電動勢，D2主要是隔離作用，就在變壓器在正半周的時候（就是感應(yīng)電動勢為上正下負(fù)時）使整過環(huán)路處于斷開狀態(tài)，而等變壓器進(jìn)入負(fù)半周時，給箝位電路提供通路，快速將電動勢環(huán)路處于斷開狀態(tài)，而等變壓器進(jìn)入負(fù)半周時，給箝位電路提供通路，快速將電動勢釋放，從而達(dá)到保護(hù)IC里頭的MOS管不被尖峰擊穿而損壞。
這里面的變壓器，根據(jù)它的同名端判斷為反激式工作方式，就是變壓器的初級和次級的相位是相反的，在同一時間，兩者相關(guān)180度，目前也有正激式的，那就是同頻同相，這個將來有機(jī)會了我再和大家具體分享；我們還是回到這個IC問題上面來，這個IC有8個腳，這里我邊講邊介紹它引腳的功能，我們接著剛剛那個說的那個整流濾波后通過變壓器繞組然后進(jìn)到IC的7、8腳，這個7、8腳就是IC里面MOS管的“D極”也叫漏極（相當(dāng)于以前NPN三極管或者開關(guān)管的集電極），另外接地的是“S極”也叫源極，整過電源電壓的變換都由D極”和S極兩個引腳的接通和斷開來實(shí)現(xiàn)，就是它們工作時會一直處在接通和不接通狀態(tài)，反復(fù)的接通和斷開使變壓器實(shí)現(xiàn)在電－－磁－電的變換，至于它是怎么進(jìn)行接通和不接通的？這個頻率又是多少？
A第一次變換的建立：就是第一個波形是怎么來的，當(dāng)IC的7、8上電以后，電壓另一方面通過IC的7、8腳連通的內(nèi)部啟動電路給IC供電，使用IC開始工作，此時IC將輸出第1個方波脈沖傳遞給IC內(nèi)部MOS管的“G極”也叫柵極，使D極和S極接通，這時D極和S級等電位，而S極又是接地的，也就等于把變壓器的一端瞬間接地，從而產(chǎn)生回路，我們都知道變壓器是感性元件，就是電流不能突變，所以它自身會產(chǎn)生感抗來阻止電流突變。從而按照線性的曲線進(jìn)行變化，就像這個波形一樣，它是慢慢上升，為了能夠阻止它突然，它會產(chǎn)生一個與它相反的感應(yīng)電壓勢來抑制它，這樣一來，下面的繞組和次組繞組就會跟著產(chǎn)生電動勢，從而產(chǎn)生電壓，電—磁—電轉(zhuǎn)換的機(jī)理也在于此，當(dāng)然這是變壓器和磁性材料本身具有的特性。
B第二次變換的建立：當(dāng)變壓器下面的繞組產(chǎn)生電動勢以后（我們通常把它叫著正反饋供電繞組），通過D3整流，R3限流，再經(jīng)C4濾波后分成二路進(jìn)行供電，一路給IC的第2腳供電，另一路給光電耦合器件M10B供電，這個光耦我們講穩(wěn)壓的時候再講，當(dāng)?shù)?腳開 始供電時，IC內(nèi)部的整個PWM供電控制系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)到由正反饋繞組供電，使內(nèi)部振蕩電路繼續(xù)工作，從而輸出第2個脈沖控制信息，使MOS管開次開通，如此周而復(fù)始的使用MOS不斷的處理開和關(guān)狀態(tài)進(jìn)而讓變壓器工作在電－磁－電的轉(zhuǎn)換狀態(tài)。這里我提到了PWM供電控制系統(tǒng)和內(nèi)部振蕩電路，可能讓大家有覺得有些含糊，我會把它們單獨(dú)抽出來最好是用分立元件來描述它們的信號流程和工作原理，這樣可能就形象，通俗易懂一些，那時候再融入到這個電路里面來理解可能就不會抽象了，現(xiàn)在的電路都是集成電路了，內(nèi)部的信息流程就不太好形象化，讓我們只知道它的功能，不知道它的進(jìn)程，這樣總是不能夠加深對它的理解，我個認(rèn)為最好是用分立元件來分析它。
變壓器工作以后，次級就會輸出一個電壓通過D4整流，C8和L1進(jìn)行濾波，然后給LED燈進(jìn)行供電，這里的L1除了能夠?yàn)V波，還有續(xù)流的作用，就是保持輸出電流的一致性，正是利用電感中的電流不能突然這一特性。
它的工作過程，最后講一下這是怎么實(shí)現(xiàn)恒流的，順便先講了一下這個IC的每個引腳功能，8腳為MOS輸入端，6腳是空腳，5腳外接的電容是振蕩電容，它的容量直接決定了RC時間常數(shù)，就是充放電時間，一般充電MOS管是接通時間，放電是斷開時間，第4腳是電壓檢測腳，通過對第4腳的電壓值控制輸出脈沖的占空比，把引腳說完了就重點(diǎn)講第4腳；第3腳接地端，第2腳是IC供電腳，第1腳外接的電阻和第5腳的電容組成了RC電路，給IC內(nèi)部提供振蕩源，脈沖的充放電時間常直接由這個電阻和電容決定。我們現(xiàn)在來重點(diǎn)講第4腳，大家看4腳外接的光耦M101B接到那里去了？另一端PC817是不是和輸出電路R4兩端相并聯(lián)了，這個R7在這里是起到檢測電流的作用，根據(jù)電壓＝電流*電阻的原理，這個電流越大，R4兩端的電壓就會越大，這樣說大家應(yīng)該明白吧？電壓越大，那么并連到R4兩端的PC817也會有電壓并且開始導(dǎo)通，導(dǎo)通后副邊的M101B也會跟著導(dǎo)通，就是它內(nèi)阻下降，這樣一來第4腳的電壓就會上升，上升以后與IC里面的基礎(chǔ)電壓相對比，然后會直接輸出一個信號使MOS管提成關(guān)斷，從而達(dá)到恒流目的。
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