基于飛兆半導(dǎo)體FAN100的LED系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著高功率LED的出現(xiàn)，LED的使用壽命及電源轉(zhuǎn)換效率成為設(shè)計LED照明系統(tǒng)時的主要考慮因素，基于飛兆半導(dǎo)體FAN100設(shè)計出高效率、高穩(wěn)定性的LED照明系統(tǒng)，首先給出了硬件電路，接著分析了電路的性能，最后進(jìn)行實驗仿真。從仿真結(jié)果可以看出本系統(tǒng)在溫度波動比較大的范圍內(nèi)比較穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：電源設(shè)計；LED；寬范圍

O 引言
    所有發(fā)光二極管無論其燈光顏色、尺寸大小或功率有甚不同，只要驅(qū)動的電流恒定不變，它們都能充分發(fā)揮其性能。發(fā)光二極管生產(chǎn)商都會列明產(chǎn)品的規(guī)格，例如，數(shù)據(jù)表上會列出產(chǎn)品在指定正向電流(IF)而非正向電壓(VF)驅(qū)動下的流明、光束波形及顏色。發(fā)光二極管的亮度隨電流的大小而不同，且制造出來的發(fā)光二極管，其電壓與電流曲線稍有差異，因而LED照明的亮度常隨電源電壓的變動而無法穩(wěn)定。為維持亮度穩(wěn)定一致，需要發(fā)光二極管恒流驅(qū)動器來實現(xiàn)。恒流驅(qū)動器可以使得發(fā)光二極管工作在固定電流模式，因而亮度穩(wěn)定性高。恒流驅(qū)動器也讓發(fā)光二極管長期工作在一定電流下，使其維持較長壽命。發(fā)光二極管照明優(yōu)點是節(jié)能、安全，但由于恒定電流工作考慮，能耗亦相對增加，因此照明系統(tǒng)設(shè)計以低能耗為目標(biāo)。前面提到恒流驅(qū)動器的壓降在2 V以內(nèi)，即是考慮低能耗的設(shè)計，若系統(tǒng)的電源端電壓與串接發(fā)光二極管壓降超過2 V以上，則需考慮以電壓轉(zhuǎn)換器來達(dá)到低能耗目標(biāo)，但仍維持恒定電流工作模式。低能耗的電壓轉(zhuǎn)換器是以開關(guān)式方式工作，依據(jù)反饋電路控制開關(guān)周期，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓。但為了維持發(fā)光二極管恒定電流工作狀態(tài)，反饋電路是以輸出電流來控制轉(zhuǎn)換器開關(guān)周期。
    目前市場上電源輸入系統(tǒng)為兩類：一類前端為AC電源輸入系統(tǒng)加上后端的電流控制模塊，此類產(chǎn)品包括冷凍柜燈條、室內(nèi)燈具、路燈、臺燈、MRl6、ARlll等。另一類為交流電源直接輸入系統(tǒng)整合AC／DC轉(zhuǎn)換器和恒定電流線路，此類產(chǎn)品包括E27和GUl0等燈泡型LED燈、PAR燈、T5和T8LED燈管。
    本文采用恒流源驅(qū)動二極管發(fā)光，發(fā)光二極管電流減小時，恒流源電路采集到變化(減小)的電流值，進(jìn)行放大后，傳輸給控制電路，控制電路對采樣信號進(jìn)行反相處理，輸出脈沖寬度增大，寬度增大的輸出脈沖驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換級的功率管，使得次級輸出電壓增加，這樣，串聯(lián)LED兩端的電壓也增大，于是，流過發(fā)光二極管的電流也增大，這就維持了發(fā)光二極管的電流恒定，同樣，若由于某種原因，使發(fā)光二極管的電流增大時，其控制過程相反，采用恒流源驅(qū)動的方法，可克服大功率發(fā)光二極管管壓降的不一致和因溫度特性較差，管子的電流和發(fā)光效率變化的缺點。

1 硬件電路
1．1 FANl00簡介
    FANl00是一個初級端調(diào)節(jié)PWM控制器，以滿足高亮度(high brightness，HB)發(fā)光二極管(LED)市場的關(guān)鍵性需求。采用內(nèi)置專有TRUECURRENTTM技術(shù)和嚴(yán)格的恒壓(constant voltage，CV)范圍，實現(xiàn)最精確的恒流(constant current，CC)控制，而無需使用次級端反饋電路。通過在較寬的電壓范圍內(nèi)精確恒流，同樣的電路就可以用于數(shù)目不同的成串LED，從而提高設(shè)計靈活性、縮短上市時間，并延長HBLED的使用壽命。由于這些PSR PWM控制器的高集成度，因此可以節(jié)省線路板空間，以配合燈泡外形尺寸不斷縮小的發(fā)展趨勢。
    FANl00具有專有的節(jié)能模式，提供關(guān)斷時間調(diào)制功能，以線性方式減小輕負(fù)載狀況下的PWM頻率。另外，它們還通過減少次級端反饋電路和組件，最大限度地減小功耗(無負(fù)載下待機功耗<O．15 W)。所有這些節(jié)能特性都是使電源符合嚴(yán)苛的能效法規(guī)所不可或缺的。此外，這些PSRPWM控制器更提供了穩(wěn)健的保護(hù)功能如欠壓鎖定(UV-LO)、過壓保護(hù)(OVP)和過熱保護(hù)(OTP)。
1．2 整體電路
    整體電路如圖1所示。

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    FANl00說明：1腳為模擬輸入，電流檢測，連接到電流檢測電阻器的峰值電流模式控制恒壓模式，對目前的檢測信號，也提供了輸出電流調(diào)節(jié)的CC模式。2、6腳為接地端子。3腳為模擬輸出。4腳為模擬輸出，電壓補償。5腳為模擬輸入，電壓端子。7腳為電壓參考。8腳為驅(qū)動功率器輸出。
    工作過程：跳頻PWM工作模式，對于EMI問題方法使用了最小化的濾波元件。VDD端子(7腳)配備了過電壓保護(hù)和與欠壓鎖定，擋脈沖的脈沖電流限制和CC控制確保過流保護(hù)。柵極輸出被鉗位在15 V至保護(hù)外部MOSFET的過電壓損害，內(nèi)部過溫保護(hù)功能關(guān)閉與控制器閉鎖時過熱。啟動電流為10μA，低啟動電流容許具有高電阻和低啟動電阻功率供應(yīng)控制器的啟動電源。一個1．5 MΩ，0．25 W作為啟動電阻，10μF／25 V是一個交流至DC具有寬輸入范圍電源適配器(100VAC到240VAC)。FANl00內(nèi)置提供了更好的溫度補償在不同環(huán)境恒定的電壓調(diào)節(jié)溫度。這種內(nèi)部補償電流是正溫度系數(shù)(PTC)的電流，可補償正向壓降二極管的溫度變化，這種變化的原因輸出電壓溫度的升高。
    在感覺到整個電流檢測電阻電壓為電流模式控制和脈沖用于由脈沖電流限制。在斜率補償內(nèi)置改善穩(wěn)定和防止次諧波振蕩由于峰值電流模式控制。該FANl00有同步，積極，傾斜的斜坡內(nèi)置在每個開關(guān)周期。
    FANl00輸出級的BiCMOS工藝是一種快速門驅(qū)動程序。盡量減少散熱，提高效率，增強可靠性。輸出驅(qū)動器是由內(nèi)部鉗位15 V的齊納二極管，以保護(hù)功率MOSFET晶體管對不想要的過電壓門信號。
    過電壓保護(hù)，防止造成的損害超過過電壓的條件。當(dāng)電壓超過28 V時，由于異常條件下，PWM脈沖的低于UVLO電壓下降，禁用，直到在低于28 V，然后重新啟動。過電壓條件通常由于開放的反饋循環(huán)。
1．3 實驗仿真
    實驗仿真電壓輸入、輸出關(guān)系如圖2所示，縱軸為輸出，橫軸為溫度變化，從圖2可以看出，在輸入電壓15 V～17 V之間，可以看出當(dāng)溫度升高的時候，電壓輸出在下降，因此電路具有較寬的溫度波動范圍。

    圖3為電流輸入和溫度關(guān)系，當(dāng)電路輸入電流在75～95之間，輸出電流波動比較小，在這樣的情況下，才可以延長使用LED的使用壽命。

2 總結(jié)
    本系統(tǒng)可延長LED的使用壽命，在溫度波動比較大的范圍內(nèi)，保持輸出電壓以及電流的穩(wěn)定性。這樣可以從電池到LED的DC-DC轉(zhuǎn)換器既能逐步增加電源電壓到標(biāo)準(zhǔn)的LED的正向電壓，又能逐步降低電源電壓到該正向電壓，并能保持LED的電流不變(用于恒定亮度)。同時整體輸入電流更高時，就需要更大的電感，還需要紋波更小的電流以便將峰值開關(guān)電流限制在IC的最大額定電流以下。