基于飛兆半導(dǎo)體FAN100的LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)LED照明系統(tǒng)時(shí)的主要考慮因素，基于飛兆半導(dǎo)體FAN100設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)仿真。從仿真結(jié)果可以看出本系統(tǒng)在溫度波動(dòng)比較大的范圍內(nèi)比較穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：電源設(shè)計(jì)；LED；寬范圍

O 引言
    所有發(fā)光二極管無(wú)論其燈光顏色、尺寸大小或功率有甚不同，只要驅(qū)動(dòng)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(huì)列明產(chǎn)品的規(guī)格，例如，數(shù)據(jù)表上會(huì)列出產(chǎn)品在指定正向電流(IF)而非正向電壓(VF)驅(qū)動(dòng)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(lái)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(dòng)而無(wú)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(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)器也讓發(fā)光二極管長(zhǎng)期工作在一定電流下，使其維持較長(zhǎng)壽命。發(fā)光二極管照明優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、安全，但由于恒定電流工作考慮，能耗亦相對(duì)增加，因此照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)以低能耗為目標(biāo)。前面提到恒流驅(qū)動(dòng)器的壓降在2 V以?xún)?nèi)，即是考慮低能耗的設(shè)計(jì)，若系統(tǒng)的電源端電壓與串接發(fā)光二極管壓降超過(guò)2 V以上，則需考慮以電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)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(kāi)關(guān)式方式工作，依據(jù)反饋電路控制開(kāi)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(lái)控制轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)周期。
    目前市場(chǎng)上電源輸入系統(tǒng)為兩類(lèi)：一類(lèi)前端為AC電源輸入系統(tǒng)加上后端的電流控制模塊，此類(lèi)產(chǎn)品包括冷凍柜燈條、室內(nèi)燈具、路燈、臺(tái)燈、MRl6、ARlll等。另一類(lèi)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(lèi)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(dòng)二極管發(fā)光，發(fā)光二極管電流減小時(shí)，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(duì)采樣信號(hào)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(dòng)功率轉(zhuǎn)換級(jí)的功率管，使得次級(jí)輸出電壓增加，這樣，串聯(lián)LED兩端的電壓也增大，于是，流過(guò)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(shí)，其控制過(guò)程相反，采用恒流源驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。

1 硬件電路
1．1 FANl00簡(jiǎn)介
    FANl00是一個(gè)初級(jí)端調(diào)節(jié)PWM控制器，以滿(mǎn)足高亮度(high brightness，HB)發(fā)光二極管(LED)市場(chǎng)的關(guān)鍵性需求。采用內(nèi)置專(zhuān)有TRUECURRENTTM技術(shù)和嚴(yán)格的恒壓(constant voltage，CV)范圍，實(shí)現(xiàn)最精確的恒流(constant current，CC)控制，而無(wú)需使用次級(jí)端反饋電路。通過(guò)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(jì)靈活性、縮短上市時(shí)間，并延長(zhǎng)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(shì)。
    FANl00具有專(zhuān)有的節(jié)能模式，提供關(guān)斷時(shí)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(guò)減少次級(jí)端反饋電路和組件，最大限度地減小功耗(無(wú)負(fù)載下待機(jī)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(guò)壓保護(hù)(OVP)和過(guò)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(shuō)明：1腳為模擬輸入，電流檢測(cè)，連接到電流檢測(cè)電阻器的峰值電流模式控制恒壓模式，對(duì)目前的檢測(cè)信號(hào)，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(bǔ)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(dòng)功率器輸出。
    工作過(guò)程：跳頻PWM工作模式，對(duì)于EMI問(wèn)題方法使用了最小化的濾波元件。VDD端子(7腳)配備了過(guò)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(guò)流保護(hù)。柵極輸出被鉗位在15 V至保護(hù)外部MOSFET的過(guò)電壓損害，內(nèi)部過(guò)溫保護(hù)功能關(guān)閉與控制器閉鎖時(shí)過(guò)熱。啟動(dòng)電流為10μA，低啟動(dòng)電流容許具有高電阻和低啟動(dòng)電阻功率供應(yīng)控制器的啟動(dòng)電源。一個(gè)1．5 MΩ，0．25 W作為啟動(dòng)電阻，10μF／25 V是一個(gè)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(bǔ)償在不同環(huán)境恒定的電壓調(diào)節(jié)溫度。這種內(nèi)部補(bǔ)償電流是正溫度系數(shù)(PTC)的電流，可補(bǔ)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(jué)到整個(gè)電流檢測(cè)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(bǔ)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(gè)開(kāi)關(guān)周期。
    FANl00輸出級(jí)的BiCMOS工藝是一種快速門(mén)驅(qū)動(dòng)程序。盡量減少散熱，提高效率，增強(qiáng)可靠性。輸出驅(qū)動(dòng)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(duì)不想要的過(guò)電壓門(mén)信號(hào)。
    過(guò)電壓保護(hù)，防止造成的損害超過(guò)過(guò)電壓的條件。當(dāng)電壓超過(guò)28 V時(shí)，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(dòng)。過(guò)電壓條件通常由于開(kāi)放的反饋循環(huán)。
1．3 實(shí)驗(yàn)仿真
    實(shí)驗(yàn)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(shí)候，電壓輸出在下降，因此電路具有較寬的溫度波動(dòng)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(dòng)比較小，在這樣的情況下，才可以延長(zhǎng)使用LED的使用壽命。

2 總結(jié)
    本系統(tǒng)可延長(zhǎng)LED的使用壽命，在溫度波動(dòng)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(shí)整體輸入電流更高時(shí)，就需要更大的電感，還需要紋波更小的電流以便將峰值開(kāi)關(guān)電流限制在IC的最大額定電流以下。