通用LED驅動控制器的應用

近年來，LED的品種不斷增加，性能逐年提高，應用領域更為廣泛。在大屏幕LCD的背光照明、汽車內外照明、公共場所照明、建筑的內外裝飾燈照明、城市景點的亮麗工程等方面獲得了很大的發展。為了達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的推廣應用促使LED驅動器相應地發展。在城市中采用市電（220V交流電）來驅動大功率LED是最方便的。Supertex公司在2005年首先推出HV9921/22/23系列，可用市電來驅動小功率LED（驅動電流為20～50mA）。隨著LED的功率增加，Supertex公司又開發出用市電供電，能輸出1A恒流驅動電流的LED驅動控制器HV9910，并在2007年推出了HV9910的改進型，型號為HV9910B（HV9910已停產）。它增加了功能及提高了性能，這對大功率LED的推廣應用起了良好作用。本文將介紹HV9910B及其應用。

特點及應用領域
HV9910B是一種通用LED驅動控制器。它的“通用性”是最大的特點，體現如下。
● 它可以用國際通用的市電（85～265VAC）供電，也可以用12～24VDC(或48VDC)蓄電池或太陽能電池供電；
● 輸入的直流電壓范圍極寬，為8～450V；
● 輸出的恒流驅動電流范圍極寬，從幾十mA到1A以上，既能驅動小功率LED，也能驅動大功率LED；
● 它可以方便地組成降壓式、升/降壓式架構，以滿足不同供電電壓的需求；
● 它可以驅動1個LED到上百個LED；
● 輸出功率從幾W到幾十W。

除了上述通用性特點外，該驅動控制器還有如下特點。

● 轉換效率高，可達85%～90%；
● 組成的驅動器電路簡單，外圍元器件少，不僅占PCB面積小，并且生產成本低；
● 內部有能輸入450VDC高壓、輸出7.5V的線性穩壓器。無須外接降壓電阻，使電路更簡單，并可輸出作模擬調光電路的電流；
● 有兩種工作模式：恒定頻率模式及恒定關斷時間（off-time）模式；
● 開關頻率由用戶設定（外接一個設定頻率的電阻RT）；
● 有兩種調光方式：模擬調光方式和PWM調光方式；
● 輸出驅動電流大小用一個外設電阻RCS設定。
該LED驅動控制器組成的驅動電路除主要應用于市電供電驅動多個串聯的大功率LED燈外，同樣也適用于用蓄電池供電的汽車內外照明及標志燈（轉彎、叉車、倒車）或太陽能電池供電的場合（航標燈、路燈等）。

除了用于照明外，該LED驅動器還可用作通用恒流漂及電池充電器方面的應用。

封裝與引腳功能

圖1 HV9910B引腳排列

HV9910B有8引腳及16引腳兩種，8引腳的有DIP及SOIC封裝，16引腳的只有SOIC封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表1所示。16引腳中注NC的引腳為空腳。

表1? HV9910B各引腳功能
SOIC-8DIP?SOIC-16?符號?功能
1?1?VIN?工作電壓輸入端8～450VDC
2?4?CS?ILED檢測端，外接電流采樣電阻RCS到GND
3?5?GND?電源地，也是內部電路的地
4?8?GATE?外接MOSFET開關的柵極
5?9?PWMD?PWM調光輸入端，也是使能端。此端加高電平時，GATE端輸出高電平，MOSFET導通；此端加低電平時，MOSFET關斷，無輸出

6?12?VDD?內部7.5V穩壓電源輸出端，此端接一個低ESR的電容到地（電容量2.2～4.7μF），采用多層陶瓷電容（MLCC）

7?13?LD?模擬調光輸入端，輸入0～250mV調光電壓，調節LED亮度
8?14?RT?外接開關管工作頻率設定電阻RT。恒定頻率模式時，另一端接地；恒定關斷時間模式時，RT另一端接GATE

主要參數
HV9910B的主要參數：輸入直流電壓VIN=8～450V；關閉模式時（PWMD端加低電平）耗電0.5～1mA；內部穩壓電源輸出電壓VDD=7.5V±0.25V；欠壓鎖存閾值電壓VUVLO=6.7V（典型值）；PWMD的高電平電壓VEN(H)＞2V、PWMD端的低電平電壓VEN(L)＜0.8V；輸入低頻PWM信號，改變占空比可調光；電流檢測端（CS）的閾值電壓VCS(TS)=250mV；內部消隱電路延遲時間TBLANK=215ns（典型值）；振蕩器頻率fosc取（25～150）kHz；內部MOSFET驅動電流為±165mA；柵級輸出的上升、下降時間典型值為30ns。

兩種工作模式的選擇
HV9910B有恒定頻率模式及恒定關斷時間兩種模式，選擇何種模式取決于驅動器的輸出電壓VOUT(VLED)與輸入電壓VIN的比值。在降壓式架構中，VIN總是大于VOUT，其比值即占空比D=VOUT/VIN。若D＜0.5時，采用恒定頻率模式；若D＞0.5時，則采用恒定關斷時間模式。如果在D＞0.5時仍采用恒定頻率模式工作，驅動器將進入次諧波振蕩狀態，將會引起輸出電流下降及紋波電流增加的不穩定狀態。
采用恒定頻率模式如圖2所示，RT接在RT與GND之間；采用恒定關斷時間模式時，RT接在RT與GATE之間，如圖3所示。

圖2 恒定頻率工作模式

圖3 恒定關斷時間工作模式

恒定頻率模式的參數選擇及計算
一種市電220VAC供電按、恒定頻率模式工作的LED驅動電路如圖4所示，該電路不調光，LD端及PWMD端必須接VDD。有關參數及選擇及計算如下。

1全波整流橋（或整流二極管）的選擇
全波整流橋的耐壓VBRI及正向電流IBRI的計算公式為
VBRI=1.5(√2 VLINEmax)????? （1）
IBRI=VOmax×IOmax/VINmin×η （2）
式中，VLINEmax為最大市電電壓、VOmax為輸出最大電壓、IOmax為輸出最大電流、VINmin是輸入最小直流電壓、η為驅動器的轉換效率（η一般在0.85～0.9之間）。公式（1）中的1.5是安全系數。

例如，采用220V市電，有±10%的允差，即VLINEmax= 242VAC，VLINEmix=198VAC，則VBRI=1.5×(√2×242）=513.2V。若VOmax=40V，IOmax=350mA，VINmin=√2 198V，η=0.85，則IBRI=40V×0.35A/√2 ×198×0.85=0.06A。因此可選600V/0.5A的全橋，或選4×4007二極管組成全波整流電路。

2 濾波電容C1的計算
全波整流后的電壓波形是“饅頭波”，需濾波電容C1作平滑濾波，C1的計算公式為
? (3)
式中，freq是市電的頻率（freq=50Hz）。
若VOmax=40V，IOmax=0.35A，VLINEmix=198VAC，VINmin=×198V，η=0.85，則帶入式（3）得，C1≥13.9μF。則可取10μF/400V的鋁電解電容器和4.7μF/400V的鋁電解電解并聯。如果要求驅動器體積小，則可用1個10μF/400V，其輸出紋波稍大些。

3 開關管頻率的選擇
開關管頻率fosc與電感器的大小有關，在220V市電供電時，fosc一般取25～150kHz。確定額定頻率的外接電阻RT與fosc關系為

fosc=25000/[RTkΩ+22](kHz)?? (4)

若fosc選100kHz，代入式（4），RT=228kΩ。

4 檢測電流（IOmax）電阻RCS的計算

RCS與流過LED的電流IOmax（ILEDmax）的關系式為
RSC=0.25/(1.15×IOmax)(Ω)??? (5)

例如，IOmax=0.35A，則代入式（5），得RSC為0.62Ω。

5 電感器L1的計算
電感器的電感量取決于流過LED的紋波電流。若紋波電流占ILED的30%（±15%），L1的計算式為
（6）
式中，VLINEnom為輸入交流市電的額定值，即VLINEnom=220VAC。
若VOmax=40V、VLINEnom= 220VAC、IOmax=0.35A、fosc= 100kHz，則L1=3.31mH，可取3.3mH。
電感的峰值電流IP為
IP=IOmax×1.15（A）????????? (7)
則在IOmax=0.35A時，IP=0.35 ×1.15=0.4A。
在選擇3.3mH電感量時，其飽和電流應大于IP×1.3。即飽和電流應大于0.4A×1.3＞1.52A。

6 選擇開關管Q1及續流二極管D1
開關管為N溝通功率MOSFET,其最大的耐壓VFET(VDSS)為

VFET=1.5（VLINEmax）(V)????? (8)
若VLINEmax=242V，則VFET為513V。

MOSFET最大的漏極電流IFET（ID）=IOmax×(A)??????????????? (9)
若IOmax=0.35A，則IFET為0.247A。但在選擇Q1時，其ID要選約為3倍的IFET，即選ID=1A的MOSFET。
為減小開關管Q1的損耗，應選擇導通電阻RDS(ON)?。ㄒ话闳DS(ON)＜1Ω）、柵極電容Qg小的MOSFET，可提高轉換效率并可減小散熱片的尺寸。

圖4 外部器件的選取

根據上述計算可選擇STD5NM50，其主要參數為：VDSS=500V、RDS(ON)＜0.8Ω、ID=7.5A，Qg=13nC。
續流二極管D1的耐壓與VFET相同，其電流IDIODE為
IDIODE=0.5×IOmax（A）?????? (10)
可選擇600V/1A的快速恢復二極管，如STTH2R06。其主要參數：VRRM=600V、IR(AV)=2A、VF=1V、trr=35ns（典型值）。

恒定關斷時間模式的參數選擇
這里舉例說明恒定關斷時間模式的參數選擇及計算。輸入時直流電壓，其額定值是12V，允差為+4V、-3V，即VINnom=12V，VINmin=9V，VINmax=16V。負載為兩個串聯的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。其電路如圖5所示。

圖5 HV9910B應用電路

1關斷時間tOFF的計算
關斷時間tOFF為
tOFF=(1-VOnom/VINnom)×1000/foscnom(μs)???????????????????? (11)
式中，foscnom為開關管頻率的額定值。若foscnom設為100kHz，則tOFF=4.33μs。

2 RT的計算
RT的計算公式為
RT=(tOFF×25)-22(kΩ)?????? (12)
將tOFF代入式（12）得
RT=(4.33×25)-22=86.25kΩ

3 電感L1的計算
設輸出電流中紋波的峰值為30% IOmax，則L1可按下式計算。
L1=（6.8×4.33）/(0.3×0.35) =280.4μH
可取標準值330μH的電感，其飽和電流取1.3倍IOmax以上，可取330μH/0.6A的電感。

4 電阻RCS的計算
RCS=0.25/(IOmax+Vonom×tOFF/2L1)(Ω)?????????????????????????? (14)
在本例中，代入已知數得RCS=0.63Ω。
5 開關管Q1及續流二極管D1的選擇
開關管Q1的耐壓VFET=1.5VINmax，其IFET=IOMAX×。按已知條件代入得VFET=24V、IFET=0.33A。一般選MOSFET的ID＞3IFET,VDSS取大于VFET的N-MOSFET,如FDS8447或FDCS5612。
續流二極管的耐壓與MOSFET相同，電流可取1A的肖特基二極管1N5819（40V/1A）。
在恒定管段時間工作模式中，開關管的工作頻率不是恒定的，隨VI、VO的變動而變動，所以設定的開關頻率foscnom是個恒定值。

結語
本文介紹的電路僅僅是個LED驅動電路，完善的電路應有EMI濾波電路及功率因數校正電路。220V市電的應用電路是個非隔離型LED驅動電路，在試驗、調試、測量時要注意安全，必須關斷電源（220VAC）后才能更換元器件，以防止觸電！