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LED灯驱动电源电路图-详解LED驱动电路设计方案原理图详解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-05-25 

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LED灯驱动电源电路图

根据驱动电路的输出特性,白光LED闪光灯的驱动电路可分为恒压型和恒流型;按电路工作原理,可以分为电感升压电路和电荷泵电路。白光LED是电流驱动型器件,其亮度与电流成比例关系。在恒压型驱动电路中,往往有一个电阻与白光LED串联,用来设置产生预期白光LED正向电流所需的电压。这种方式有一个缺点,即白光LED正向电压的任何变化都会导致白光LED电流的变化,从而无法保证流过白光LED的电流等于预设置值,也就无法确保白光LED的亮度恒定。而在恒流型驱动电路中,是通过检测串联在白光LED回路电阻的电压来保证流过白光LED的电流恒定的。这种方式可以消除由正向电压变化而产生的电流变化,因此白光LED可产生相对恒定的亮度。

由于移动电话的锂离子电池的工作电压范围一般为3.*.2V,而白光LED的正向电压一般为3~4V,且白光LED闪光灯一般为多个白光LED串、并联在一起,以提供闪光功能所需的光通量,所以在低电压输入、高电压输出的时候,必须采用升压电路将电压升高以驱动白光LED。驱动白光LED闪光灯时一般采用两种方式升压,一种是采用以电感为储能元件的升压式变换器,另一种是采用以电容为储能元件的电荷泵。采用以电感为储能元件的升压变换器的优点是效率相对较高。


现在的白光LED闪光灯驱动控制器都集成了控制电路和升压开关管,但是电感和用于续流的肖特基二极管还是外接的,这增加了电路的复杂性、成本和PCB面积。此外,由于闪光灯驱功电路、LED闪光灯显示屏、移动电话的天线一般位于移动电话上端,与移动电话的射频电路靠得很近,所以有效防止驱动电路电感的EMI干扰也是很重要的问题。图1是采用电感升压变换器驱动标准白光LED的典型应用电路。电荷泵采用电容作储能元件,且不需要外接电感,因此不存在电磁干扰的问题。此外,整个解决方案所占PCB的面积也较小,但相对来说效率较低。由于闪光灯工作时间非常短,持续时间一般为100~300ms,所以其效率对电池使用时间的影响不是太大。图2是采用电荷泵驱动标准白光LED的应用电路。

LED灯驱动电源电路图

图1 采用电感升压变换器驱动标准白光LED


LED灯驱动电源电路图

图2 采用电荷泵驱动标准白光LED的应用电路

在白光LED驱动电路的设计中,有两个参数会影响设计方案的选择,一个是白光LED正向电压,另一个是电源的工作电压。电感式升压变换器通常用于驱动串联的白光LED,它能够产生充是的输出电压,以提供可被编程的驱动白光LED电流。采用这种驱动方法时,因为无论正向电压高低,所有的白光LED都能获得相同的电流,又因为白光LED的亮度与流经白光LED的正向电流成正比,所以白光LED阵列的亮度非常均衡、和谐。


电荷泵可以产生值为输入电压整数倍的输出电压。若要提高其扩大倍数,需增加泵电容和开关电路,因此电荷泵的实际输出电压被限制为了2倍的输入电压。虽然有些电荷泵能够提供分数倍输出电压(1.5倍),但是需要2个泵电容。


因为2倍压是最方便的升压倍数,考虑到白光LED典型的正向电压,则电荷泵方法主要用于驱动并联的白光LED。因为每个并联支路的白光LED必须独立控制,这必然会导致白光LED阵列之间出现轻微的亮度失谐,这种亮度失谐现象在电荷泵驱动方法中是不可避免的。


与整数倍压电荷泵驱动方法相比,电感升压变换器的效率更高。改用分数倍压电荷泵虽然可以提高性能,但是其远不如电感升压变换器设计方案。因为在电感升压变换器设计中,白光LED是串联的,所以升压控制器与白光LED之间只需两条PCB走线。这在设计上是一个很重要的优势,例如,如果白光LED的数量发生了变化,或者单独安装在一个相机闪光模块上,则电感升压变换器的设计很容易适应这种变化,而采用电荷泵方案的PCB必须完全重新设计。


虽然电感升压变换器设计的引脚数量少,且允许使用比电荷泵设计更小的封装,但是电感升压变换器需要电感器,这会导致占PCB的总体面积变大、变厚。另外,与电荷泵设计中的泵电容对比,其外接电感器成本昂贵。另外,电感升压变换器的噪声通常比电荷泵高,因此为了限制或避免不同组件之间的干扰,需要更精确的设计。


LED驱动电源电路图分析

原理分析:为了方便分析,我把它分成几个部分来讲,尽量分的细一点来讲,如下:

1:输入过压保护---主要是雷击或者市冲击带来的浪涌)

2:整流滤波电路---将交流(或者是直流)变成直流的过程

3:箝位电路---------主要是吸收变压器工作时产生的尖峰和反向电动势

4:IC工作过程--------主要是IC的供电原理,变压器的工作方式,电压变换过程。

5:输出整流---------将交流再次变成平滑理想的直流电压过程

6:恒流原理---------电路中稳定输出电流控制过程分析


1、 输入过压保护电路

首先电压从“+48V、GNG”两端进来通过一个R1的电阻(这个电阻的作用就是限流,当后面的线路出现短路时,R1流过的电流就会增大,随之两端压降跟着增大,当超过1W时就会自动断开,阻值增加至无穷大,从而达到保护输入电路+48V不受到负载的影响)限流后进入整流桥,另一方面R1与旁边的MOV1构成了一个简单过压保护电路,MOV1是一个压敏元件,是利用具有非线性的半导体材料制作的而成,其伏安特性与稳压二极管差不多,正常情况显高阻抗状态,流过的电流很少,当电压高到一定的时候(这里主要是指尖峰浪涌,如打雷的时候高脉冲串通过市电串入进来),压敏MOV1会显现短路状态,直接截取整个输入总电流,使后面的电路停止工作,这时候,由于所有电流将流过R1和MOV1,因R1只有1W的功率,所以瞬间可以开路,从而保护了整个电路不被损坏。


2、 整流滤波电路

当+48V电压进入整流桥D1时,输出一个上正下负的直流电压(这里我要说明一下,如果+48V是交流的那么直接整流,如果+48V电源本身也是直流的,那整流桥的作用就是对输入起到的是极性保护作用,无论输入是上正下负还是上负下正都不会损坏驱动电源)通过C1\C2\L1进行滤波,这是一个LC Π型滤波电路,目的是将整流后的电压波形平滑的直流电。


3、 箝位吸收电路

这个箝路电路存在的理由其实就是保护IC里面的MOS管,其过程为--整流滤波以后的电压分成2路,一路通过变压器绕组后进入IC TK5401的第7、8脚,这个我们等下在后面来讲,先看箝位这一路,这路是通过R1、C3、D2然后也连到7、8脚,这个R1、C3、D2就组成了一个简单的箝位电路,主要功能就是用来吸收尖峰和浪涌的,这和刚才输入那个MOV1是不一样的,MOV1主要是防止打雷或者市电冲击起到保护作用,这个箝位它的功能是吸收变压器T1绕组两端的反向电动势,以消除自激振荡,说白了就是快速复位的意思,为变压器进入下一个周期做好准备,因为如果变压器得不到复位就会饱和,这样就会失去感抗,这个R1和C3就组成了一个RC充放电回路,用来反向积累的电动势,D2主要是隔离作用,就在变压器在正半周的时候(就是感应电动势为上正下负时)使整过环路处于断开状态,而等变压器进入负半周时,给箝位电路提供通路,快速将电动势环路处于断开状态,而等变压器进入负半周时,给箝位电路提供通路,快速将电动势释放,从而达到保护IC里头的MOS管不被尖峰击穿而损坏。


4、 IC工作原理

这里面的变压器,根据它的同名端判断为反激式工作方式,就是变压器的初级和次级的相位是相反的,在同一时间,两者相关180度,目前也有正激式的,那就是同频同相,这个将来有机会了我再和大家具体分享;我们还是回到这个IC问题上面来,这个IC有8个脚,这里我边讲边介绍它引脚的功能,我们接着刚刚那个说的那个整流滤波后通过变压器绕组然后进到IC的7、8脚,这个7、8脚就是IC里面MOS管的“D极”也叫漏极(相当于以前NPN三极管或者开关管的集电极),另外接地的是“S极”也叫源极,整过电源电压的变换都由D极”和S极两个引脚的接通和断开来实现,就是它们工作时会一直处在接通和不接通状态,反复的接通和断开使变压器实现在电--磁-电的变换,至于它是怎么进行接通和不接通的?这个频率又是多少?


开始进行工作信号分析

A第一次变换的建立:就是第一个波形是怎么来的,当IC的7、8上电以后,电压另一方面通过IC的7、8脚连通的内部启动电路给IC供电,使用IC开始工作,此时IC将输出第1个方波脉冲传递给IC内部MOS管的“G极”也叫栅极,使D极和S极接通,这时D极和S级等电位,而S极又是接地的,也就等于把变压器的一端瞬间接地,从而产生回路,我们都知道变压器是感性元件,就是电流不能突变,所以它自身会产生感抗来阻止电流突变。从而按照线性的曲线进行变化,就像这个波形一样,它是慢慢上升,为了能够阻止它突然,它会产生一个与它相反的感应电压势来抑制它,这样一来,下面的绕组和次组绕组就会跟着产生电动势,从而产生电压,电—磁—电转换的机理也在于此,当然这是变压器和磁性材料本身具有的特性。


B第二次变换的建立:当变压器下面的绕组产生电动势以后(我们通常把它叫着正反馈供电绕组),通过D3整流,R3限流,再经C4滤波后分成二路进行供电,一路给IC的第2脚供电,另一路给光电耦合器件M10B供电,这个光耦我们讲稳压的时候再讲,当第2脚开 始供电时,IC内部的整个PWM供电控制系统将自动转到由正反馈绕组供电,使内部振荡电路继续工作,从而输出第2个脉冲控制信息,使MOS管开次开通,如此周而复始的使用MOS不断的处理开和关状态进而让变压器工作在电-磁-电的转换状态。这里我提到了PWM供电控制系统和内部振荡电路,可能让大家有觉得有些含糊,我会把它们单独抽出来最好是用分立元件来描述它们的信号流程和工作原理,这样可能就形象,通俗易懂一些,那时候再融入到这个电路里面来理解可能就不会抽象了,现在的电路都是集成电路了,内部的信息流程就不太好形象化,让我们只知道它的功能,不知道它的进程,这样总是不能够加深对它的理解,我个认为最好是用分立元件来分析它。


5、输出整流电路

变压器工作以后,次级就会输出一个电压通过D4整流,C8和L1进行滤波,然后给LED灯进行供电,这里的L1除了能够滤波,还有续流的作用,就是保持输出电流的一致性,正是利用电感中的电流不能突然这一特性。


6、恒流电路

它的工作过程,最后讲一下这是怎么实现恒流的,顺便先讲了一下这个IC的每个引脚功能,8脚为MOS输入端,6脚是空脚,5脚外接的电容是振荡电容,它的容量直接决定了RC时间常数,就是充放电时间,一般充电MOS管是接通时间,放电是断开时间,第4脚是电压检测脚,通过对第4脚的电压值控制输出脉冲的占空比,把引脚说完了就重点讲第4脚;第3脚接地端,第2脚是IC供电脚,第1脚外接的电阻和第5脚的电容组成了RC电路,给IC内部提供振荡源,脉冲的充放电时间常直接由这个电阻和电容决定。我们现在来重点讲第4脚,大家看4脚外接的光耦M101B接到那里去了?另一端PC817是不是和输出电路R4两端相并联了,这个R7在这里是起到检测电流的作用,根据电压=电流*电阻的原理,这个电流越大,R4两端的电压就会越大,这样说大家应该明白吧?电压越大,那么并连到R4两端的PC817也会有电压并且开始导通,导通后副边的M101B也会跟着导通,就是它内阻下降,这样一来第4脚的电压就会上升,上升以后与IC里面的基础电压相对比,然后会直接输出一个信号使MOS管提成关断,从而达到恒流目的。


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LED灯驱动电源电路图