LED燈驅(qū)動(dòng)電源電路圖-詳解LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案原理圖詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-05-25
根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的輸出特性，白光LED閃光燈的驅(qū)動(dòng)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(dòng)型器件，其亮度與電流成比例關(guān)系。在恒壓型驅(qū)動(dòng)電路中，往往有一個(gè)電阻與白光LED串聯(lián)，用來(lái)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(gè)缺點(diǎn)，即白光LED正向電壓的任何變化都會(huì)導(dǎo)致白光LED電流的變化，從而無(wú)法保證流過(guò)白光LED的電流等于預(yù)設(shè)置值，也就無(wú)法確保白光LED的亮度恒定。而在恒流型驅(qū)動(dòng)電路中，是通過(guò)檢測(cè)串聯(lián)在白光LED回路電阻的電壓來(lái)保證流過(guò)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(duì)恒定的亮度。
由于移動(dòng)電話(huà)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(gè)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(shí)候，必須采用升壓電路將電壓升高以驅(qū)動(dòng)白光LED。驅(qū)動(dòng)白光LED閃光燈時(shí)一般采用兩種方式升壓，一種是采用以電感為儲(chǔ)能元件的升壓式變換器，另一種是采用以電容為儲(chǔ)能元件的電荷泵。采用以電感為儲(chǔ)能元件的升壓變換器的優(yōu)點(diǎn)是效率相對(duì)較高。
現(xiàn)在的白光LED閃光燈驅(qū)動(dòng)控制器都集成了控制電路和升壓開(kāi)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(dòng)電話(huà)的天線(xiàn)一般位于移動(dòng)電話(huà)上端，與移動(dòng)電話(huà)的射頻電路靠得很近，所以有效防止驅(qū)動(dòng)電路電感的EMI干擾也是很重要的問(wèn)題。圖1是采用電感升壓變換器驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)白光LED的典型應(yīng)用電路。電荷泵采用電容作儲(chǔ)能元件，且不需要外接電感，因此不存在電磁干擾的問(wèn)題。此外，整個(gè)解決方案所占PCB的面積也較小，但相對(duì)來(lái)說(shuō)效率較低。由于閃光燈工作時(shí)間非常短，持續(xù)時(shí)間一般為100～300ms，所以其效率對(duì)電池使用時(shí)間的影響不是太大。圖2是采用電荷泵驅(qū)動(dòng)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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)白光LED
圖2 采用電荷泵驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)白光LED的應(yīng)用電路
在白光LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)參數(shù)會(huì)影響設(shè)計(jì)方案的選擇，一個(gè)是白光LED正向電壓，另一個(gè)是電源的工作電壓。電感式升壓變換器通常用于驅(qū)動(dòng)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(dòng)白光LED電流。采用這種驅(qū)動(dòng)方法時(shí)，因?yàn)闊o(wú)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(kāi)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(gè)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(dòng)并聯(lián)的白光LED。因?yàn)槊總€(gè)并聯(lián)支路的白光LED必須獨(dú)立控制，這必然會(huì)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(dòng)方法中是不可避免的。
與整數(shù)倍壓電荷泵驅(qū)動(dòng)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(xiàn)。這在設(shè)計(jì)上是一個(gè)很重要的優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(huì)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(duì)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(gè)部分來(lái)講，盡量分的細(xì)一點(diǎn)來(lái)講，如下：
1：輸入過(guò)壓保護(hù)---主要是雷擊或者市沖擊帶來(lái)的浪涌）
2：整流濾波電路---將交流（或者是直流）變成直流的過(guò)程
3：箝位電路---------主要是吸收變壓器工作時(shí)產(chǎn)生的尖峰和反向電動(dòng)勢(shì)
4：IC工作過(guò)程--------主要是IC的供電原理，變壓器的工作方式，電壓變換過(guò)程。
5：輸出整流---------將交流再次變成平滑理想的直流電壓過(guò)程
6：恒流原理---------電路中穩(wěn)定輸出電流控制過(guò)程分析
首先電壓從“+48V、GNG”兩端進(jìn)來(lái)通過(guò)一個(gè)R1的電阻（這個(gè)電阻的作用就是限流，當(dāng)后面的線(xiàn)路出現(xiàn)短路時(shí)，R1流過(guò)的電流就會(huì)增大，隨之兩端壓降跟著增大，當(dāng)超過(guò)1W時(shí)就會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，阻值增加至無(wú)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(gè)簡(jiǎn)單過(guò)壓保護(hù)電路，MOV1是一個(gè)壓敏元件，是利用具有非線(xiàn)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(guò)的電流很少，當(dāng)電壓高到一定的時(shí)候（這里主要是指尖峰浪涌，如打雷的時(shí)候高脈沖串通過(guò)市電串入進(jìn)來(lái)），壓敏MOV1會(huì)顯現(xiàn)短路狀態(tài)，直接截取整個(gè)輸入總電流，使后面的電路停止工作，這時(shí)候，由于所有電流將流過(guò)R1和MOV1，因R1只有1W的功率，所以瞬間可以開(kāi)路，從而保護(hù)了整個(gè)電路不被損壞。
當(dāng)+48V電壓進(jìn)入整流橋D1時(shí)，輸出一個(gè)上正下負(fù)的直流電壓（這里我要說(shuō)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(duì)輸入起到的是極性保護(hù)作用，無(wú)論輸入是上正下負(fù)還是上負(fù)下正都不會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)電源）通過(guò)C1\C2\L1進(jìn)行濾波，這是一個(gè)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(gè)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(guò)程為－－整流濾波以后的電壓分成2路，一路通過(guò)變壓器繞組后進(jìn)入IC TK5401的第7、8腳，這個(gè)我們等下在后面來(lái)講，先看箝位這一路，這路是通過(guò)R1、C3、D2然后也連到7、8腳，這個(gè)R1、C3、D2就組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的箝位電路，主要功能就是用來(lái)吸收尖峰和浪涌的，這和剛才輸入那個(gè)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(gè)箝位它的功能是吸收變壓器T1繞組兩端的反向電動(dòng)勢(shì)，以消除自激振蕩，說(shuō)白了就是快速?gòu)?fù)位的意思，為變壓器進(jìn)入下一個(gè)周期做好準(zhǔn)備，因?yàn)槿绻儔浩鞯貌坏綇?fù)位就會(huì)飽和，這樣就會(huì)失去感抗，這個(gè)R1和C3就組成了一個(gè)RC充放電回路，用來(lái)反向積累的電動(dòng)勢(shì)，D2主要是隔離作用，就在變壓器在正半周的時(shí)候（就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為上正下負(fù)時(shí)）使整過(guò)環(huán)路處于斷開(kāi)狀態(tài)，而等變壓器進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，給箝位電路提供通路，快速將電動(dòng)勢(shì)環(huán)路處于斷開(kāi)狀態(tài)，而等變壓器進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，給箝位電路提供通路，快速將電動(dòng)勢(shì)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(jí)和次級(jí)的相位是相反的，在同一時(shí)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(gè)將來(lái)有機(jī)會(huì)了我再和大家具體分享；我們還是回到這個(gè)IC問(wèn)題上面來(lái)，這個(gè)IC有8個(gè)腳，這里我邊講邊介紹它引腳的功能，我們接著剛剛那個(gè)說(shuō)的那個(gè)整流濾波后通過(guò)變壓器繞組然后進(jìn)到IC的7、8腳，這個(gè)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(kāi)關(guān)管的集電極），另外接地的是“S極”也叫源極，整過(guò)電源電壓的變換都由D極”和S極兩個(gè)引腳的接通和斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是它們工作時(shí)會(huì)一直處在接通和不接通狀態(tài)，反復(fù)的接通和斷開(kāi)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(gè)頻率又是多少？
A第一次變換的建立：就是第一個(gè)波形是怎么來(lái)的，當(dāng)IC的7、8上電以后，電壓另一方面通過(guò)IC的7、8腳連通的內(nèi)部啟動(dòng)電路給IC供電，使用IC開(kāi)始工作，此時(shí)IC將輸出第1個(gè)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(shí)D極和S級(jí)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(huì)產(chǎn)生感抗來(lái)阻止電流突變。從而按照線(xiàn)性的曲線(xiàn)進(jìn)行變化，就像這個(gè)波形一樣，它是慢慢上升，為了能夠阻止它突然，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與它相反的感應(yīng)電壓勢(shì)來(lái)抑制它，這樣一來(lái)，下面的繞組和次組繞組就會(huì)跟著產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)勢(shì)以后（我們通常把它叫著正反饋供電繞組），通過(guò)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(gè)光耦我們講穩(wěn)壓的時(shí)候再講，當(dāng)?shù)?腳開(kāi) 始供電時(shí)，IC內(nèi)部的整個(gè)PWM供電控制系統(tǒng)將自動(dòng)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(gè)脈沖控制信息，使MOS管開(kāi)次開(kāi)通，如此周而復(fù)始的使用MOS不斷的處理開(kāi)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(jué)得有些含糊，我會(huì)把它們單獨(dú)抽出來(lái)最好是用分立元件來(lái)描述它們的信號(hào)流程和工作原理，這樣可能就形象，通俗易懂一些，那時(shí)候再融入到這個(gè)電路里面來(lái)理解可能就不會(huì)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(duì)它的理解，我個(gè)認(rèn)為最好是用分立元件來(lái)分析它。
變壓器工作以后，次級(jí)就會(huì)輸出一個(gè)電壓通過(guò)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(guò)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(gè)IC的每個(gè)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(shí)間常數(shù)，就是充放電時(shí)間，一般充電MOS管是接通時(shí)間，放電是斷開(kāi)時(shí)間，第4腳是電壓檢測(cè)腳，通過(guò)對(duì)第4腳的電壓值控制輸出脈沖的占空比，把引腳說(shuō)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(shí)間常直接由這個(gè)電阻和電容決定。我們現(xiàn)在來(lái)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(gè)R7在這里是起到檢測(cè)電流的作用，根據(jù)電壓＝電流*電阻的原理，這個(gè)電流越大，R4兩端的電壓就會(huì)越大，這樣說(shuō)大家應(yīng)該明白吧？電壓越大，那么并連到R4兩端的PC817也會(huì)有電壓并且開(kāi)始導(dǎo)通，導(dǎo)通后副邊的M101B也會(huì)跟著導(dǎo)通，就是它內(nèi)阻下降，這樣一來(lái)第4腳的電壓就會(huì)上升，上升以后與IC里面的基礎(chǔ)電壓相對(duì)比，然后會(huì)直接輸出一個(gè)信號(hào)使MOS管提成關(guān)斷，從而達(dá)到恒流目的。
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