許霖霖+羅永道

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于ADP3806的高功率發(fā)光二極管（LED）的高效驅(qū)動(dòng)電路。ADP3806是一款開關(guān)模式電源控制器，擁有雙環(huán)路恒定電壓和恒定電流控制、遠(yuǎn)程精確電流檢測(cè)以及關(guān)斷和可編程可同步開關(guān)頻率，能提供恒定電流。同時(shí)在設(shè)計(jì)中利用單端原邊電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC），其可以提供一種可以高于或低于輸入電壓的輸出電壓，在適當(dāng)?shù)恼伎毡认鹿ぷ鳎惯B續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）和脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制變得簡(jiǎn)單，提高了效率，并且避免由變壓器泄漏電感帶來的電壓尖峰和振鈴。從而在需要進(jìn)行升壓和降壓轉(zhuǎn)換來同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)高功率LED的場(chǎng)合，這個(gè)設(shè)計(jì)是非常適合的。

關(guān)鍵詞： ADP3806； 高功率LED； SEPIC； 驅(qū)動(dòng)電路

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）20?0148?04

Design of high power LED driving circuit based on ADP3806

XU Lin?lin， LUO Yong?dao

（College of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract： An ADP3806?based high efficiency driving circuit for the high power light emitting diode （LED） was designed. ADP3806 is a switch mode power supply controller， which has double loop constant voltage and constant current control， long?range precision current detection， shutdown and programmable synchronous switching frequency， and can provide constant current. Meanwhile， SEPIC was used in design. Therefore， an output voltage being higher or lower than the input voltage can be provided by SEPIC. Under appropriate duty cycle， continuous conduction mode and the pulse width modulation control become easier， and the efficiency is improved. The voltage spikes and ringing caused by transformer leakage inductance can be avoided. The design is very suitable for the occasions that need to boost and buck conversion to drive multiple high?power LEDs simultaneously.

Keywords： ADP3806； high power LED； SEPIC； driving circuit

高功率LED作為一種半導(dǎo)體光源，具有效率高、壽命長(zhǎng)和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1]，在油田、石化、鐵路、礦山、部隊(duì)等特殊行業(yè)、舞臺(tái)裝飾、城市景觀照明、顯示屏以及體育場(chǎng)照明等，特種工作燈具中具有廣泛的應(yīng)用前景，基于大功率LED發(fā)展起來的半導(dǎo)體照明技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一[2]。在這些高功率照明應(yīng)用中，人們考慮使用多種方法來驅(qū)動(dòng)這些照明燈。在本文中，將討論一種新的驅(qū)動(dòng)方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有更低的系統(tǒng)成本和更高的效率等效率。

1 驅(qū)動(dòng)電路方案選擇

LED是一種電流控制器件，因此設(shè)計(jì)中，首先需要保證的是流過高功率LED的電流恒定，使用ADP3806能實(shí)現(xiàn)恒定電流控制并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確電流檢測(cè)。因此，利用ADP3806，并結(jié)合SEPIC設(shè)計(jì)高功率LED驅(qū)動(dòng)電路。

1.1 ADP3806介紹

ADP3806是一款開關(guān)模式電源（SMPS）控制器，擁有雙環(huán)路恒定電壓和恒定電流控制、遠(yuǎn)程精確電流檢測(cè)以及關(guān)斷和可編程可同步開關(guān)頻率[3]，如圖1所示。并且對(duì)于不同應(yīng)用要求，可在各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中配置該控制器，比如升壓、降壓以及本文中所應(yīng)用的SEPIC，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的效率。VCC用于主供電，最小VCC為6.25 V（欠壓閉鎖UVLO電壓）且最大VCC不得超過23 V，導(dǎo)致開關(guān)驅(qū)動(dòng)器電壓BST為30 V，即結(jié)擊穿電壓。因此VCC范圍是6.5～20 V。SYS-為主電源輸出電壓監(jiān)測(cè)；SYS+為主電源輸入電壓監(jiān)測(cè)；LIMIT電流門限調(diào)整；CT為振蕩器外接定時(shí)電容；SYNC為振蕩器同步和頻率選擇（接地）；REG為6.0 V電壓輸出；REF為2.5 V基準(zhǔn)電壓；[SD]為關(guān)閉輸入（低電平關(guān)閉，高電平開啟）；COMP為外部補(bǔ)償電容；LC為低電流輸出；BATSEL為電池電壓檢測(cè)輸入；ISET為充電電流大小設(shè)計(jì)信號(hào)輸入；CS-為電池電壓檢測(cè)輸入；CS+為電池充電電壓反饋輸入；DRVL為低端驅(qū)動(dòng)器方波輸出；BSTREG為7.0 V電壓輸出；BST為高端驅(qū)動(dòng)器供電；DRVH為高端驅(qū)動(dòng)器方波輸出；SW為高端驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)輸入點(diǎn)（電流反饋輸入）[3]。

圖1 ADP3806引腳圖

1.2 SEPIC介紹

單端原邊電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）屬于升降壓系列器件中的一種如圖2所示。VOUT和VIN具有相同的極性，主要用于VIN可在VOUT上下變化的應(yīng)用。圖中L2的一端接地，其兩端的平均直流電壓均為0 V。

該方法克服了其他方法中存在的諸多缺點(diǎn)。該設(shè)計(jì)中使用SEPIC，可以顯著減少主開關(guān)和整流器開關(guān)的電壓應(yīng)力，而不會(huì)明顯地增加電流應(yīng)力?？梢愿玫臋?quán)衡和選擇性價(jià)比高的器件組合，增加了MOSFET和肖特基整流器的選擇范圍，克服整流器通常存在高電壓的缺點(diǎn)。適當(dāng)?shù)亩皇菢O高的PWM占空比，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳導(dǎo)模式即CCM工作，從而使反饋環(huán)路變得簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電流模式控制。EMI和噪聲也得以降低，這是因?yàn)殚_關(guān)節(jié)點(diǎn)上的峰峰值電壓擺幅較低，同時(shí)提高了效率，原因在于：適當(dāng)?shù)恼伎毡龋碗妷篗OSFET和整流器，由于降低峰峰值電壓擺幅而減少了開關(guān)損耗[4]。此外驅(qū)動(dòng)電路中由于多電感放電通路可能會(huì)抑制高頻振鈴，高頻輻射可能會(huì)減少，同時(shí)也不存在由變壓器泄露電感引起的振鈴或尖峰；并且不會(huì)出現(xiàn)電荷泵常會(huì)產(chǎn)生的電流波形失真和電流應(yīng)力增加的情況，因此該方法屬于無電荷泵缺陷的真正開關(guān)。

圖2 SEPIC轉(zhuǎn)換器

2 高功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同LED應(yīng)進(jìn)行具體配置。為確保VCC引腳處有干凈的電壓源，所以需在輸入源和IC之間使用一個(gè)RC旁路網(wǎng)絡(luò)，去耦電容C1的值可在0.1 μF至22 μF這一范圍內(nèi)。關(guān)斷控制引腳[SD]接受外部控制邏輯輸入，該設(shè)計(jì)中選擇自動(dòng)啟動(dòng)，則可使用來自VCC的分壓器，以確保此引腳的電壓低于其限值10 V且高于其邏輯電平2.0 V。連接至CT引腳的電容用于設(shè)置開關(guān)頻率，為了在總的系統(tǒng)物理尺寸和效率之間取得最佳平衡，建議開關(guān)頻率保持在300～750 kHz范圍內(nèi)。較高開關(guān)頻率會(huì)需要更多的柵極驅(qū)動(dòng)功率并產(chǎn)生更多開關(guān)損耗，比如高達(dá)1 MHz時(shí)，從而導(dǎo)致效率更低，電感的值則可調(diào)低以降低系統(tǒng)的物理尺寸和成本[5]。使用較高的開關(guān)頻率還存在另一弊端，即占空比范圍會(huì)降低，這樣輸出電壓范圍會(huì)縮小。 ADP3806中有三個(gè)內(nèi)部低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，REG，REF和BSTREG是其輸出引腳，分別接圖中所示容值大小的電容將這些引腳去耦可以確保穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。ISET引腳電壓和電流檢測(cè)電阻將決定輸出電流，因此ISET引腳處需要的電壓應(yīng)從REF引腳即2.5 V精密基準(zhǔn)電壓源處產(chǎn)生，REF引腳最大輸出電流是500 μA。為了產(chǎn)生更高的設(shè)置電壓，分壓器可以接REG引腳為6 V。但注意，REF的精度為1%，REG的精度為3%。在CS+和CS?引腳的兩端，應(yīng)在PCB布局的這些引腳旁放置一個(gè)濾波電容約220 nF，以便過濾噪聲。

控制器具有同步整流功能，設(shè)計(jì)中利用這一功能提供最高的功率轉(zhuǎn)換效率。通過不同的電源為控制器和功率級(jí)供電，功率級(jí)輸入電壓可以低至6.5 V，最大值不得超過20 V。CS+和CS-之間最大差分輸入電壓是160 mV。電流檢測(cè)電阻RCS一定要選取合適阻值，以便最大限度地減少其功率損失以及為控制裝置提供充足的信號(hào)，且輸出電流應(yīng)為：

[ILED=VISET25RCS] （1）

原理圖中的輸出電容COUT為可選項(xiàng)。如沒有COUT，進(jìn)入LED的電流是非連續(xù)的，按（1-D）的占空比波動(dòng)，D為PWM控制裝置的占空比。如果有COUT，LED中的電流可以變得更加平滑，因此需要合適的輸出電容才能實(shí)現(xiàn)所需的驅(qū)動(dòng)電流模式。利用輸入電容CIN可以吸收輸入紋波電流，通常，放置兩個(gè)10 μF/25 V陶瓷電容就足夠了。而電感L決定了紋波電流，為了優(yōu)化系統(tǒng)尺寸和效率，建議紋波電流為標(biāo)稱輸出電流的[13]左右[6]。

設(shè)計(jì)中，利用主驅(qū)動(dòng)輸出DRVH控制主開關(guān)SW1，SW2作為二極管開關(guān)則用于整流，主開關(guān)SW1打開時(shí)整流開關(guān)SW2會(huì)導(dǎo)通，控制器處于關(guān)斷模式時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸出與輸入源隔離。為了避免過壓輸出，可連接電壓環(huán)路，設(shè)置最大容許輸出電壓即VOUTM。因?yàn)閮?nèi)部基準(zhǔn)電壓為2.5 V，故最大輸出電壓的設(shè)置如式（2）所示：

[VOUTM=2.5ROVPT+ROVPBROVPB] （2）

選擇合適的分壓器電阻，來設(shè)置過壓保護(hù)點(diǎn)VOUTM。CCH，CCL和RC組成閉環(huán)的環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。需要對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制速度[7]。

如果在輸出端串聯(lián)更多的高功率LED，需要更大的電壓[8]，則可在SEPIC上增加二極管和輸出濾波器得到SEPIC乘法升壓轉(zhuǎn)化器，且其電流能保持恒定。如圖4所示，L2現(xiàn)在連接至D1和CF1的節(jié)點(diǎn)，其兩端都具有等于CF1上升壓電壓的平均直流電壓，而非接地。

圖4 N=2的SEPIC乘法升壓轉(zhuǎn)換器

示例中采用N=2級(jí)，電感繞組為分立或耦合（其中繞組電感L1和L2完全相同）。同時(shí)可計(jì)算出[VCF1]上電壓為：

[VCF1=VIN+VOUT-VINN=2] （3）

此時(shí)，CCM占空比應(yīng)為：

[D=VCF1-VINVCF1] （4）

同時(shí)，使用如下公式：

[VPEAK=VCF1=VIN+VOUT-VINN] （5）

可以確定N的值，其中VPEAK是Q1的峰值，從而使MOSFET和二極管可以在合理的額定電壓下工作，此處二極管最好使用肖特基二極管以減少開關(guān)損耗。且該方法能避免電荷泵常見的差分電流尖峰。

在ADP3806上，控制ISET引腳處的電壓便可輕松實(shí)現(xiàn)亮度控制，因?yàn)檩敵鲭娏鱅OUT由ISET引腳處的電壓VISET設(shè)置，原理見式（1）。調(diào)節(jié)亮度控制常用兩種基本方式：第一種是改變ISET引腳處的VISET控制輸出電流，采用2.5 V的VREF基準(zhǔn)電壓的電位計(jì)或6 V的VREG供電軌可做到這一點(diǎn)。為了最大限度地縮小電路板空間、避免布局不靈活、保證可靠性，可考慮使用數(shù)字電位計(jì)而不是相應(yīng)的機(jī)械器件來實(shí)現(xiàn)亮度控制[9]，而現(xiàn)在的數(shù)字電位計(jì)通常有內(nèi)置去抖器和零電平/中間電平可選預(yù)設(shè)功能，不僅可以進(jìn)行亮度控制，還提高了電路靈活性。這種控制簡(jiǎn)單，但存在低效問題，因?yàn)長(zhǎng)ED的效率在滿電流額定值條件下往往比較高，但在電流降低時(shí)效率就會(huì)比較低[10]。為了解決這種問題，可采用PWM亮度控制方案。即定期將ISET引腳短接到AGND，而VISET顯示了一種PWM模式，與輸出電流IOUT一樣。把開漏MOSFET連接至ISET引腳，輸出的亮度會(huì)由數(shù)字信號(hào)控制，微控制器可生成該信號(hào)。控制器對(duì)控制信號(hào)做出反應(yīng)需要一段時(shí)間，故亮度控制PWM信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于控制環(huán)路的帶寬，因而比開關(guān)頻率要慢得多[11]。圖5顯示了典型高亮度LED的效率和其驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系，其中IOPT是發(fā)光效率最高時(shí)的最佳驅(qū)動(dòng)電流點(diǎn)。效率優(yōu)化型亮度控制方法是通過PWM電流模式來驅(qū)動(dòng)LED。電流以D的占空比從0變?yōu)镮OPT。這導(dǎo)致在連續(xù)IOPT驅(qū)動(dòng)時(shí)有最大發(fā)光輸出。當(dāng)需要輸出更多光時(shí)，適當(dāng)提高驅(qū)動(dòng)電流。

圖5 典型高亮度LED的效率曲線

3 結(jié) 語

本文主要介紹了一種基于ADP3806開關(guān)模式電源控制器，設(shè)計(jì)了高功率LED驅(qū)動(dòng)電路，該電路實(shí)現(xiàn)了恒定電壓和恒定電流控制，遠(yuǎn)程精確的電流檢測(cè)，減少損耗的同時(shí)提高了效率，并使EMI和噪聲大大降低。

參考文獻(xiàn)

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圖5 典型高亮度LED的效率曲線

3 結(jié) 語

本文主要介紹了一種基于ADP3806開關(guān)模式電源控制器，設(shè)計(jì)了高功率LED驅(qū)動(dòng)電路，該電路實(shí)現(xiàn)了恒定電壓和恒定電流控制，遠(yuǎn)程精確的電流檢測(cè)，減少損耗的同時(shí)提高了效率，并使EMI和噪聲大大降低。

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圖5 典型高亮度LED的效率曲線

3 結(jié) 語

本文主要介紹了一種基于ADP3806開關(guān)模式電源控制器，設(shè)計(jì)了高功率LED驅(qū)動(dòng)電路，該電路實(shí)現(xiàn)了恒定電壓和恒定電流控制，遠(yuǎn)程精確的電流檢測(cè)，減少損耗的同時(shí)提高了效率，并使EMI和噪聲大大降低。

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