高性价比之LED照明驱动设计方案

1、高性价比之 LED 照明驱动设计方案高性价比之 LED 照明驱动设计方案By 俞仲威，聚积科技技术市场部项目副理前言高功率 LED 的问世加速了 LED 在照明产业的普及，同时也带来了新的挑战。LED 的使用寿命及电源转换效率成为设计 LED 照明系统时的主要考虑因素，同时必须提供恒流(constant current)以维持 LED 色彩与亮度的一致性。因此，设计良好的 LED 驱动器必须能提供精确的电流输出且不受输入电压及输出负载变化影响，且同时兼顾能源转换效率及输出涟波等影响使用寿命的特性。磁滞型脉冲频率调变技术(Hysteretic PFM, HPFM)可以大幅提升系统在低负载或高负载

2、时的电源转换效率。本文将探讨如何利用恒流 LED 驱动器设计出具有高效率、高稳定性且兼具高信赖性的 LED 照明系统。定电压 vs. 恒流驱动模式一般而言，LED 的输出亮度与流经 LED 的顺向电流约略成正比，使用定电压或恒流驱动器皆可达到点亮 LED的目的。图 1 为最简单的定电压 LED 驱动器，LED 电流是由与 LED 串联的电阻 R1-Rn与 LED 的顺向偏压(forwardvoltage, VF)所决定。例如，输入电压为 5V，LED 顺向偏压为 3.6V，如果要设计 LED 电流为 20mA，所要使用的镇流电阻经计算为 70。虽然这种镇流器架构非常简单，但是若 VIN 变动则

3、 LED 输出亮度也必然会随之改变；同时量产品的 LED 顺向偏压不一致也会对每一串 LED 的输出亮度产生影响。在镇流电阻上的功率损耗也会造成过热及低效率的问题，特别是在输入电压与 LED 输出电压相差极大时效率会越形低落。R1LED11RnLEDn1V IN+-LED12LED13LEDn2LEDn3图 1 定电压 LED 驱动器另一个常用的 LED 驱动器为如图 2 所示的恒流模式驱动器。在图 2 中，LED 的电流是由线性稳压器所提供，其电流可由 R1 电阻设定。与定电压模式驱动器比较，恒流模式驱动器藉由控制检流电阻 R1 两端跨压可以直接控制流经 LED 的电流，在这种设计架构下，L

4、ED 输出电流只与 R1 的精确度相关，不受输入电压变化或是 LED顺向偏压不一致影响。但是如果输入电压与 LED 输出电压之间压差过大的话，还是会在驱动器上产生过热的问题。Macroblock, Inc. 2011Floor 6-4, No. 18, Pu-Ting Rd., Hsinchu, Taiwan 30077, ROC.TEL: +886-3-579-0068, FAX: +886-3-579-8934 E-mail: info.tw1高性价比之 LED 照明驱动设计方案VINOUTV IN+C INFBLED1I LED+C OUTR1图 2 恒流 LED 驱动器磁滞型脉冲频率调

5、变MBI6661 的磁滞型脉冲频率调变控制方式可以在轻载应用下有效提升系统的效率。图 3 为 MBI6661 的应用电路，而图 4 为磁滞型脉冲频率调变方式的波型示意图。图 3 中 RSEN 电阻两端的直流压降定义为 VSEN，MBI6661的输出电流即是由此电压及电阻而定(MBI6661 中 VSEN=100mV)。图 4 中的 VH 为 MBI6661 内部的高位准参考电压，其值为 VSEN 电压的 1.15 倍，而 VL 为 VSEN 的 0.85 倍。磁滞调变的原理为当电源打开时，因为此时 LED电流为零使 VSEN 必然低于 VH，因此 MBI6661 内建的 MOSFET 导通对电

6、感充电，此时电感电流增加连带使 RSEN两端电压 VSEN 随之增加。当 VSEN 等于 VH 时，内建的 MOSFET 会被关闭，此时电感电流会透过飞轮二极管(D1)放电而下降，因而使 VSEN 电压随之下降。而当 VSEN 电压等于 VL 时，内建的 MOSFET 又会再次导通并重复之前的动作。由于磁滞型脉冲频率调变的特性，电感电流会一直维持在连续导通模式(CCM)，这对降低 LED 输出涟波电流有很大的帮助。磁滞型脉冲频率调变控制方式的切换频率会随着负载电流而变化，电流越大频率越低。在相同的负载条件下，电感越大其切换频率会越低。MBI6661 的切换频率必须被控制在 40kHz 以上以避

7、免音频噪声的发生。供做切换频率与各参数间的关系可以推导如下：FSWVIN - VOUT - VSEN - (R DS(ON) IOUT )DL1I LRDS(ON) 为 MBI6661 内部 MOSFET 的导通电阻，此值为在电源电压 VIN =12 伏特时量测值不超过 0.35L1 为电源转换器的主电感D 为 MBI6661 工作占空比，D=VOUTVINFSW 为 MBI6661 工作切换频率IOUT 为 LED 输出电流，I L 为电感的涟波电流，IL=(1.15xIOUT)(0.85xIOUT)=0.3xIOUTVSEN 为检流电阻上的直流压降，VIN 为输入电压，VOUT 为输出的

8、LED 电压。除了可改善轻载时的效率外，磁滞型脉冲频率调变控制方式也具有其他优点。由于 MBI6661 使用高压侧电流检测技术(high-side sensing)，在检流电阻上所损失的功耗很小，因此可使用较小体积的检流电阻。相较于传统定频式脉波宽度调变控制技术(Pulse-Width Modulation, PWM)而言，磁滞型脉冲频率调变控制回路设计上更为简单，免除了复杂的频率补偿设计，因此可以大幅减少控制器所需的外部组件，这对节省电路板的空间及生产制造的成本是有正面帮助的。Macroblock, Inc. 2011Floor 6-4, No. 18, Pu-Ting Rd., Hsinc

9、hu, Taiwan 30077, ROC.TEL: +886-3-579-0068, FAX: +886-3-579-8934 E-mail: info.tw2高性价比之 LED 照明驱动设计方案V SENV HV LtV SWONOFFtI Lt图 3 MBI6661 应用电路图 4 磁滞型脉冲频率调变控制方式的波型示意图支持更高的输入电压不同于一般市面上常见的降压(Buck)型控制器多只支持到最高 40V 的输入电压，MBI6661 采用台湾集成电路公司(TSMC)先进的 60V BCD 制程工艺，将最大支持输入电压提升至 60V(最大耐压超过 75V)，除了可以完全支持常见的 48V

10、的直流输出电压外，更一举将单一模块最大支持的输出功率提升到 60W (60V, 1A 输出)，相较于目前市面常见方案有 50%的提升。在高输出功率照明装置的设计上，MBI6661 可以有效减少输出模块的使用；同时在单一模块内允许更多的 LED 串连数，使均流设计更容易实现。 LED显示屏 液晶模块 光电显示 HYPERLINK / / 保护功能除了常见的过温保护(Over-Temperature Protection)以及欠压保护(Under-Voltage Lock-Out)外，MBI6661 同时内建了过电流保护(Over-Current Protection)。在 12V/24V 的 M

11、R-16 应用中，使用者常发现在散热不佳的密闭使用环境下转换器 IC 容易莫名烧毁，而烧毁时输出电流及电压均无异常，造成客诉上棘手难解的问题。事实上，萧特基二极管在高接合温度(junction temperature)下会产生热失控(thermal runaway)，也就是伴随着高接合温度下激发出更多的自由电子导致反向偏压下的逆向漏电流大幅增加。如下图 5 所示，对控制器而言电流侦测电阻并无法有效侦测此一漏电流(虚线所示)，因此最终导致功率开关被过电流烧毁。图 5 正常工作电流(实线)与热失控电流(虚线)示意图Macroblock, Inc. 2011Floor 6-4, No. 18, Pu

12、-Ting Rd., Hsinchu, Taiwan 30077, ROC.TEL: +886-3-579-0068, FAX: +886-3-579-8934 E-mail: info.tw3高性价比之 LED 照明驱动设计方案针对此一议题，聚积科技在新系列 DC/DC 转换器 IC 均内建智能型过电流侦测装置，使转换器可以在功率开关导通时完成逐周期(cycle-by-cycle)的过电流侦测，在热失控发生的同一切换周期内即可侦测出过电流发生，同时关闭功率开关藉以达成过电流保护，完全解决电源转换器功率开关在较高工作温度下容易发生信赖性失效的问题。传感器 仪器仪表 实验设备 HYPERLINK / /结论在设计一款安全且有效的 LED 照明系统时，聚积科技推出的 MBI6661 具有相当大的优势；例如：以磁滞型脉冲频率调变技术提升低负载时的效率，连续导通模式恒流控制可提升 LED 的使用寿命，及提供数种保护功能以确保照明系统的安全及可靠性。相较于传统型的 LED 驱动器，MBI6