150W多灯串LED驱动器设计

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　　1.引言

　　LED多灯串广泛应用于路灯、冲洗灯及其它通用照明产品中。LED多灯串通常通过多通道线性稳流器驱动。线性电路的采用确保了稳流器不会遇到电磁干扰问题。与使用单个LED驱动器来驱动每个LED灯串的方法相比，多通道方法可获得更确保通道间更高的电流精度，更易于探测和报告LED灯串内的故障。线性稳流器由直流电源供电，电源可使用AC/DC转换器或DC/DC转换器。采用远低于LED灯串正向电压的直流电供电时，电源需要配备一个升压转换器。本文介绍了使用一个150W LED驱动器在借助升压转换器和线性稳流器下驱动4个LED灯串的设计原理。设计规格请参见表1。

　　表1, 设计规格

　　2.电路概要

　　图1所示为150W LED驱动器的框图。升压转换器采用一个输入电压范围为18V到24V的LM3430控制器，可输出一种直流环节电压VRAIL从而为LED灯串供电。LED电流的调节需通过LM3464驱动一个四通道线性稳流器来实现。为使效率最大化，需用到动态电压调整功能(DHC)。动态电压调整功能主要LM3464提供到LM3430的反馈信号。LM3430可自动将直流环节电压VRAIL调节到最小，以最大限度地减少功率损耗。由于LED正向电压会在LED接通的瞬间随着温度的升高而缓慢下降(以分钟为单位)，因此可在操作期间通过降低直流环节电压VRAIL有效地减少稳流器内的功率损耗，进而提高总效率。

　　图1推荐的LED驱动器框图

　　3.线性多灯串LED驱动器

　　图2所示为LM3464驱动4通道线性稳流器的原理图。每个LED灯串都由直流环节电压VRAIL供电，并同时与相应的线性稳流器(通道从1到4)连接。线性稳流器由一个MOSFET (Q1到Q4)和一个感测电阻器(RSNS1 到 RSNS4)组成。MOSFET受LM3464控制，以使感测电阻器上的压降能够稳定在0.2V，进而调节LED电流。

　　图2 四通线性稳流器原理图

　　LM3464电路中需设计的主要部件为与电压电平VRAIL(nom)，VDHC_READY，VLED，和VRAIL(peak)相关的反馈电阻RFB1，RFB2，和RDHC。图3所示为反馈电阻的启动波形图。启动时，请在接通LM3464之前，首先接通受LM3430控制的升压转换器来将直流环节电压VRAIL 调节至正常水平VRAIL(nom)。在此期间，由于未启动LM3464，所以不存在动态电压调整。当CDHC(连接到接地LM3464 CDHC引脚上的电容器)的电压达到5.55V时，LM3464会将直流环节电压VRAIL 提高到VDHC_READY来接通LED 灯串。随后，动态电压调整功能会被激活，并将直流环节电压VRAIL调节至VLED。此时的最低电压可以导通所有LED 灯串并使效率最大化。因此，VRAIL(nom)和VDHC_READY的设计值需要参考VLED，以便能够产生足够的裕度来应对VLED 的变化。在本文中，由于LED电压为39V，所以可将VRAIL(nom)和VDHC_READY分别设定为30V和42V。最后，当LM3464的OutP引脚对地短路时，VRAIL(peak)为直流环节电压VRAIL的最大值。VRAIL(peak)也可能是升压转换器能够输出的最高直流环节电压VRAIL。因此，升压转换器必须能够输出不超过其输出级部件额定电压的VRAIL(peak)。在本文中，VRAIL(peak)被设定为45V，以便能够使用额定电压为50V的输出电容器。

　　图3环节电压启动波形图

　　3.2主要部件的设计

　　下列步骤详细说明了有关VRAIL(nom)，VDHC_READY，VLED，和VRAIL(peak)的主要部件选择，包括RFB1，RFB2，RF1，RF2，和RDHC 。

　　RFB1 与RFB2:LM3464通过吸收LM3430 VDHC引脚上的电流来提升直流环节电压VRAIL值，直到VLedFB引脚上的电压达到2.5V为止。电压达到2.5V时，直流环节电压VRAIL会达到42V的VDHC_READY。在下列方程式中，反馈电阻RFB1和RFB2分别设定在57.6k和3.65k：

　　RF1 与 RF2: 当VRAIL(nom) 为30V时，LM3430 的FB引脚上的电压被稳定在1.25V，在下列方程式中，反馈电阻RF1和RF分别设定在1.91kΩ和44.2kΩ：

　　RDHC: RDHC的数值可参考以下方程式，根据VRAIL(peak)值进行限定：

　　在本文中，由于VRAIL(peak)为45V，所以RDHC为1.74kΩ。

　　感测电阻器：LED电流通过感测电阻器进行感应，电阻器上的压降会稳定在0.2V。在本文中，LED电流为1A，感测电阻器设定为0.2Ω(= 0.2V/1A)。

　　4.升压转换器

　　图4所示为受LM3430控制的升压转换器原理图。以下步骤详细介绍了选择主要部件的方法。

　　图4 升压转换器原理图

　　电感器的选择：通过DHC将直流环节电压VRAIL调整为39V的VLED，此时相对于24V的典型输入电压而言，计算出的输入电压和负载比分别为6.5A和38.5%。电感器电流纹波IL,ripple通常定为平均电感器电流的30%，即1.95A。

　　对于300 kHz的开关频率，工作时间ton 为1.28µs。因此，

　　计算出的电感器数值为15.7µH，应选用15µH的标准值。另一方面，当输入电压为最小值(18V)时，输入电流为最大值，计算的结果为8.67A。考虑到效率，其实际输入电流可能会比计算值大一些。因此，应选择具有高饱和电流的电感器和低等效串联电阻。

　　MOSFET和二级管：MOSFET和二极管的额定值取决于与最大输入电流有关的接通电流。由于MOSFET和二极管在150W的输出功率下具有较大的功率损耗，所以这些部件需采用一个性能良好的散热器。

　　输出电容器和滤波器：输出电容器控制着升压转换器的输出电压纹波。输出电容器还与调光期间输出电压的瞬态响应相关，事实上，瞬态响应就是指升压变压器的负载变化。在此，我们选择一个470µF的电容器。为了进一步减少环节电压的纹波，增加了2.2µF的陶瓷电容器和滤波器。因为VRAIL(peak)为45V，所以输出电容器的额定电压要远大于50V。最后，使用一个电感电容滤波器来进一步减少VRAIL上的电压纹波。

　　补偿设计：一个主极点补偿器由R1和C1组成，可设定一个内部运算放大镜来闭合环路。闭环直流增益设定为40分贝，该数值足以确保在VRAIL下较小的稳态误差。此外，可以通过动态电压调整令稳态误差最小。截止频率设定为5kHz，该频率值会在LED变暗引起负荷瞬态变化的情况下，得到较好的瞬态响应。

　　5. 测量结果

　　图5-6所示为升压转换器和整个LED电流转换节点在18V和24V输入电压时的波形图。从中可以看出，转换节点和调节好的LED电流的波形图比较稳定。图7所示为24V输入电压下的调光效能。从中可以看出，升压转换器输出电压和环节电压的瞬态响应(下冲和过冲比较小)良好，且LED电流会在收到调光信号的瞬间做出快速响应。表2总结了效率测量结果。在输出功率为152W时，总效率可达90%。

　　表2 测量结果总结