通用LED驱动控制器的应用

通用LED驱动控制器的应用

近年来，LED的品种不断增加，性能逐年提高，应用领域更为广泛。在大屏幕LCD的背光照明、汽车内外照明、公共场所照明、建筑的内外装饰灯照明、城市景点的亮丽工程等方面获得了很大的发展。为了达到更大的亮度及更好的可靠性，1～3W大功率LED逐步被采用。
LED的推广应用促使LED驱动器相应地发展。在城市中采用市电（220V交流电）来驱动大功率LED是最方便的。Supertex公司在2005年首先推出HV9921/22/23系列，可用市电来驱动小功率LED（驱动电流为20～50mA）。随着LED的功率增加，Supertex公司又开发出用市电供电，能输出1A恒流驱动电流的LED驱动控制器HV9910，并在2007年推出了HV9910的改进型，型号为HV9910B（HV9910已停产）。它增加了功能及提高了性能，这对大功率LED的推广应用起了良好作用。本文将介绍HV9910B及其应用。

特点及应用领域
HV9910B是一种通用LED驱动控制器。它的“通用性”是最大的特点，体现如下。
● 它可以用国际通用的市电（85～265VAC）供电，也可以用12～24VDC(或48VDC)蓄电池或太阳能电池供电；
● 输入的直流电压范围极宽，为8～450V；
● 输出的恒流驱动电流范围极宽，从几十mA到1A以上，既能驱动小功率LED，也能驱动大功率LED；
● 它可以方便地组成降压式、升/降压式架构，以满足不同供电电压的需求；
● 它可以驱动1个LED到上百个LED；
● 输出功率从几W到几十W。

除了上述通用性特点外，该驱动控制器还有如下特点。

● 转换效率高，可达85%～90%；
● 组成的驱动器电路简单，外围元器件少，不仅占PCB面积小，并且生产成本低；
● 内部有能输入450VDC高压、输出7.5V的线性稳压器。无须外接降压电阻，使电路更简单，并可输出作模拟调光电路的电流；
● 有两种工作模式：恒定频率模式及恒定关断时间（off-time）模式；
● 开关频率由用户设定（外接一个设定频率的电阻RT）；
● 有两种调光方式：模拟调光方式和PWM调光方式；
● 输出驱动电流大小用一个外设电阻RCS设定。
该LED驱动控制器组成的驱动电路除主要应用于市电供电驱动多个串联的大功率LED灯外，同样也适用于用蓄电池供电的汽车内外照明及标志灯（转弯、叉车、倒车）或太阳能电池供电的场合（航标灯、路灯等）。

除了用于照明外，该LED驱动器还可用作通用恒流漂及电池充电器方面的应用。

封装与引脚功能

图1 HV9910B引脚排列

HV9910B有8引脚及16引脚两种，8引脚的有DIP及SOIC封装，16引脚的只有SOIC封装，其引脚排列如图1所示，各引脚功能如表1所示。16引脚中注NC的引脚为空脚。

表1  HV9910B各引脚功能
SOIC-8DIP SOIC-16 符号 功能
1 1 VIN 工作电压输入端8～450VDC
2 4 CS ILED检测端，外接电流采样电阻RCS到GND
3 5 GND 电源地，也是内部电路的地
4 8 GATE 外接MOSFET开关的栅极
5 9 PWMD PWM调光输入端，也是使能端。此端加高电平时，GATE端输出高电平，MOSFET导通；此端加低电平时，MOSFET关断，无输出

6 12 VDD 内部7.5V稳压电源输出端，此端接一个低ESR的电容到地（电容量2.2～4.7μF），采用多层陶瓷电容（MLCC）

7 13 LD 模拟调光输入端，输入0～250mV调光电压，调节LED亮度
8 14 RT 外接开关管工作频率设定电阻RT。恒定频率模式时，另一端接地；恒定关断时间模式时，RT另一端接GATE

主要参数
HV9910B的主要参数：输入直流电压VIN=8～450V；关闭模式时（PWMD端加低电平）耗电0.5～1mA；内部稳压电源输出电压VDD=7.5V±0.25V；欠压锁存阈值电压VUVLO=6.7V（典型值）；PWMD的高电平电压VEN(H)＞2V、PWMD端的低电平电压VEN(L)＜0.8V；输入低频PWM信号，改变占空比可调光；电流检测端（CS）的阈值电压VCS(TS)=250mV；内部消隐电路延迟时间TBLANK=215ns（典型值）；振荡器频率fosc取（25～150）kHz；内部MOSFET驱动电流为±165mA；栅级输出的上升、下降时间典型值为30ns。

两种工作模式的选择
HV9910B有恒定频率模式及恒定关断时间两种模式，选择何种模式取决于驱动器的输出电压VOUT(VLED)与输入电压VIN的比值。在降压式架构中，VIN总是大于VOUT，其比值即占空比D=VOUT/VIN。若D＜0.5时，采用恒定频率模式；若D＞0.5时，则采用恒定关断时间模式。如果在D＞0.5时仍采用恒定频率模式工作，驱动器将进入次谐波振荡状态，将会引起输出电流下降及纹波电流增加的不稳定状态。
采用恒定频率模式如图2所示，RT接在RT与GND之间；采用恒定关断时间模式时，RT接在RT与GATE之间，如图3所示。

图2 恒定频率工作模式

图3 恒定关断时间工作模式

恒定频率模式的参数选择及计算
一种市电220VAC供电按、恒定频率模式工作的LED驱动电路如图4所示，该电路不调光，LD端及PWMD端必须接VDD。有关参数及选择及计算如下。

1全波整流桥（或整流二极管）的选择
全波整流桥的耐压VBRI及正向电流IBRI的计算公式为
VBRI=1.5(√2 VLINEmax)      （1）
IBRI=VOmax×IOmax/VINmin×η （2）
式中，VLINEmax为最大市电电压、VOmax为输出最大电压、IOmax为输出最大电流、VINmin是输入最小直流电压、η为驱动器的转换效率（η一般在0.85～0.9之间）。公式（1）中的1.5是安全系数。

例如，采用220V市电，有±10%的允差，即VLINEmax= 242VAC，VLINEmix=198VAC，则VBRI=1.5×(√2×242）=513.2V。若VOmax=40V，IOmax=350mA，VINmin=√2 198V，η=0.85，则IBRI=40V×0.35A/√2 ×198×0.85=0.06A。因此可选600V/0.5A的全桥，或选4×4007二极管组成全波整流电路。

2 滤波电容C1的计算
全波整流后的电压波形是“馒头波”，需滤波电容C1作平滑滤波，C1的计算公式为
  (3)
式中，freq是市电的频率（freq=50Hz）。
若VOmax=40V，IOmax=0.35A，VLINEmix=198VAC，VINmin=×198V，η=0.85，则带入式（3）得，C1≥13.9μF。则可取10μF/400V的铝电解电容器和4.7μF/400V的铝电解电解并联。如果要求驱动器体积小，则可用1个10μF/400V，其输出纹波稍大些。

3 开关管频率的选择
开关管频率fosc与电感器的大小有关，在220V市电供电时，fosc一般取25～150kHz。确定额定频率的外接电阻RT与fosc关系为

fosc=25000/[RTkΩ+22](kHz)   (4)

若fosc选100kHz，代入式（4），RT=228kΩ。

4 检测电流（IOmax）电阻RCS的计算

RCS与流过LED的电流IOmax（ILEDmax）的关系式为
RSC=0.25/(1.15×IOmax)(Ω)    (5)

例如，IOmax=0.35A，则代入式（5），得RSC为0.62Ω。

5 电感器L1的计算
电感器的电感量取决于流过LED的纹波电流。若纹波电流占ILED的30%（±15%），L1的计算式为
（6）
式中，VLINEnom为输入交流市电的额定值，即VLINEnom=220VAC。
若VOmax=40V、VLINEnom= 220VAC、IOmax=0.35A、fosc= 100kHz，则L1=3.31mH，可取3.3mH。
电感的峰值电流IP为
IP=IOmax×1.15（A）          (7)
则在IOmax=0.35A时，IP=0.35 ×1.15=0.4A。
在选择3.3mH电感量时，其饱和电流应大于IP×1.3。即饱和电流应大于0.4A×1.3＞1.52A。

6 选择开关管Q1及续流二极管D1
开关管为N沟通功率MOSFET,其最大的耐压VFET(VDSS)为

VFET=1.5（VLINEmax）(V)      (8)
若VLINEmax=242V，则VFET为513V。

MOSFET最大的漏极电流IFET（ID）=IOmax×(A)                (9)
若IOmax=0.35A，则IFET为0.247A。但在选择Q1时，其ID要选约为3倍的IFET，即选ID=1A的MOSFET。
为减小开关管Q1的损耗，应选择导通电阻RDS(ON)小（一般取RDS(ON)＜1Ω）、栅极电容Qg小的MOSFET，可提高转换效率并可减小散热片的尺寸。

图4 外部器件的选取

根据上述计算可选择STD5NM50，其主要参数为：VDSS=500V、RDS(ON)＜0.8Ω、ID=7.5A，Qg=13nC。
续流二极管D1的耐压与VFET相同，其电流IDIODE为
IDIODE=0.5×IOmax（A）       (10)
可选择600V/1A的快速恢复二极管，如STTH2R06。其主要参数：VRRM=600V、IR(AV)=2A、VF=1V、trr=35ns（典型值）。

恒定关断时间模式的参数选择
这里举例说明恒定关断时间模式的参数选择及计算。输入时直流电压，其额定值是12V，允差为+4V、-3V，即VINnom=12V，VINmin=9V，VINmax=16V。负载为两个串联的1W白光LED，其VF=3.4，即VINmin=4.6V、Vonom=6.8V，Vomax=8V；Iomax= 350mA。期望的效率η=0.85。其电路如图5所示。

图5 HV9910B应用电路

1关断时间tOFF的计算
关断时间tOFF为
tOFF=(1-VOnom/VINnom)×1000/foscnom(μs)                     (11)
式中，foscnom为开关管频率的额定值。若foscnom设为100kHz，则tOFF=4.33μs。

2 RT的计算
RT的计算公式为
RT=(tOFF×25)-22(kΩ)       (12)
将tOFF代入式（12）得
RT=(4.33×25)-22=86.25kΩ

3 电感L1的计算
设输出电流中纹波的峰值为30% IOmax，则L1可按下式计算。
L1=（6.8×4.33）/(0.3×0.35) =280.4μH
可取标准值330μH的电感，其饱和电流取1.3倍IOmax以上，可取330μH/0.6A的电感。

4 电阻RCS的计算
RCS=0.25/(IOmax+Vonom×tOFF/2L1)(Ω)                           (14)
在本例中，代入已知数得RCS=0.63Ω。
5 开关管Q1及续流二极管D1的选择
开关管Q1的耐压VFET=1.5VINmax，其IFET=IOMAX×。按已知条件代入得VFET=24V、IFET=0.33A。一般选MOSFET的ID＞3IFET,VDSS取大于VFET的N-MOSFET,如FDS8447或FDCS5612。
续流二极管的耐压与MOSFET相同，电流可取1A的肖特基二极管1N5819（40V/1A）。
在恒定管段时间工作模式中，开关管的工作频率不是恒定的，随VI、VO的变动而变动，所以设定的开关频率foscnom是个恒定值。

结语
本文介绍的电路仅仅是个LED驱动电路，完善的电路应有EMI滤波电路及功率因数校正电路。220V市电的应用电路是个非隔离型LED驱动电路，在试验、调试、测量时要注意安全，必须关断电源（220VAC）后才能更换元器件，以防止触电！