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概况
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图2中的降压-升压型拓扑显示了一个接地参考的栅极驱动,驱动电路能否控制MOSFET的栅电容

发布时间:2020-03-19 08:19    浏览次数 :

随着led的生产成本下降,其使用愈发普遍,所涵盖的应用范围从手持终端设备到车载,再到建筑照明。LED的高可靠性(使用寿命超过50,000个小时)、较高的效率(>120流明/瓦)以及近乎瞬时的响应能力使其成为极具吸引力的光源。与白炽灯泡200mS的响应时间相比,LED会在短短5ns响应时间内发光。因此,目前它们已在汽车行业的刹车灯中得到广泛采用。  驱动LED  驱动LED并非没有挑战。可调的亮度需要用恒定电流来驱动LED,并且无论输入电压如何都必须要保持该电流的恒定。这与仅仅将白炽灯泡连接到电池来为其供电相比更具有挑战性。  LED具有类似于二极管的正向V-I特性。在低于LED开启阈值(白光LED的开启电压阈值大约为3.5V)时,通经该LED的电流非常小。在高于该阈值时,电流会以正向电压形式成指数倍递增。这就允许将LED定型为带有一个串联电阻的电压源,其中带有一则警示说明:本模型仅在单一的工作DC电流下才有效。如果LED中的DC电流发生改变,那么该模型的电阻也应随即改变,以反映新的工作电流。在大的正向电流下,LED中的功率耗散会使设备发热,此举将改变正向压降和动态阻抗。在确定LED阻抗时充分考虑散热环境是非常重要的。  当通过降压稳压器驱动LED时,LED常常会根据所选的输出滤波器排列来传导电感的AC纹波电流和DC电流。这不仅会提高LED中电流的RMS振幅,而且还会增大其功耗。这样就可提高结温并对LED的使用寿命产生重要影响。如果我们设定一个70%的光输出限制作为LED的使用寿命,那么LED的寿命就会从74摄氏度度下的15,000小时延长到63摄氏度度下的40,000小时。LED的功率损耗由LED电阻乘以RMS电流的平方再加上平均电流乘以正向压降来确定。由于结温可通过平均功耗来确定,因此即使是较大的纹波电流对功耗产生的影响也不大。例如,在降压转换器中,等于DC输出电流(Ipk-pk=Iout)的峰至峰纹波电流会增加不超过10%的总功率损耗。如果远远超过上面的损耗水平,那么就需要降低来自电源的AC纹波电流以便使结温和工作寿命保持不变。一条非常有用的经验法则是结温每降低10摄氏度,半导体寿命就会提高两倍。实际上,由于电感器的抑制作用,因此大多数设计就趋向于更低的纹波电流。此外,LED中的峰值电流不应超过厂商所规定的最大安全工作电流额定值。       拓扑选择  表1中所显示的信息有助于为LED驱动器选择最佳的开关拓扑。除这些拓扑之外,您还可使用简易的限流电阻器或线性稳压器来驱动LED,但是此类方法通常会浪费过多功率。所有相关的设计参数包括输入电压范围、驱动的LED数量、LED电流、隔离、EMI抑制以及效率。大多数的LED驱动电路都属于下列拓扑类型:降压型、升压型、降压-升压型、SEPIC和反激式拓扑。表1备选的LED电源拓扑  图1显示了三种基本的电源拓扑示例。第一个示意图所显示的降压稳压器适用于输出电压总小于输入电压的情形。在图1中,降压稳压器会通过改变MOSFET的开启时间来控制电流进入LED。电流感应可通过测量电阻器两端的电压获得,其中该电阻器应与LED串联。对该方法来说,重要的设计难题是如何驱动MOSFET。从性价比的角度来说,推荐使用需要浮动栅极驱动的N通道场效应晶体管(FET)。这需要一个驱动变压器或浮动驱动电路(其可用于维持内部电压高于输入电压)。  图1还显示了备选的降压稳压器(buck#2)。在此电路中,MOSFET对接地进行驱动,从而大大降低了驱动电路要求。该电路可选择通过监测FET电流或与LED串联的电流感应电阻来感应LED电流。后者需要一个电平移位电路来获得电源接地的信息,但这会使简单的设计复杂化。另外,图1中还显示了一个升压转换器,该转换器可在输出电压总是大于输入电压时使用。由于MOSFET对接地进行驱动并且电流感应电阻也采用接地参考,因此此类拓扑设计起来就很容易。该电路的一个不足之处是在短路期间,通过电感器的电流会毫无限制。您可以通过保险丝或电子断路器的形式来增加故障保护。此外,某些更为复杂的拓扑也可提供此类保护。                                                              图1简单的降压和升压型拓扑为LED供电    图2显示了两款降压-升压型电路,该电路可在输入电压和输出电压相比时高时低时使用。两者具有相同的折衷特性(其中折衷可在有关电流感应电阻和栅极驱动位置的两个降压型拓扑中显现)。图2中的降压-升压型拓扑显示了一个接地参考的栅极驱动。它需要一个电平移位的电流感应信号,但是该反向降压-升压型电路具有一个接地参考的电流感应和电平移位的栅极驱动。如果控制IC与负输出有关,并且电流感应电阻和LED可交换,那么该反向降压-升压型电路就能以非常有用的方式进行配置。适当的控制IC,就能直接测量输出电流,并且MOSFET也可被直接驱动。                                           图2降压-升压型拓扑可调节大于或小于Vout的输入电压  该降压-升压方法的一个缺陷是电流相当高。例如,当输入和输出电压相同时,电感和电源开关电流则为输出电流的两倍。这会对效率和功耗产生负面的影响。在许多情况下,图3中的“降压或升压型”拓扑将缓和这些问题。在该电路中,降压功率级之后是一个升压。如果输入电压高于输出电压,则在升压级刚好通电时,降压级会进行电压调节。如果输入电压小于输出电压,则升压级会进行调节而降压级则通电。通常要为升压和降压操作预留一些重叠,因此从一个模型转到另一模型时就不存在静带。    当输入和输出电压几乎相等时,该电路的好处是开关和电感器电流也近乎等同于输出电流。电感纹波电流也趋向于变小。即使该电路中有四个电源开关,通常效率也会得到显著的提高,在电池应用中这一点至关重要。图3中还显示了SEPIC拓扑,此类拓扑要求较少的FET,但需要更多的无源组件。其好处是简单的接地参考FET驱动器和控制电路。此外,可将双电感组合到单一的耦合电感中,从而节省空间和成本。但是像降压-升压拓扑一样,它具有比“降压或升压”和脉动输出电流更高的开关电流,这就要求电容器可通过更大的RMS电流。                                                图3降压或升压型以及SEPIC拓扑提供了更高的效率  出于安全考虑,可能规定在离线电压和输出电压之间使用隔离。在此应用中,最具性价比的解决方案是反激式转换器(请参见图4)。它要求所有隔离拓扑的组件数最少。变压器匝比可设计为降压、升压或降压-升压输出电压,这样就提供了极大的设计灵活性。但其缺点是电源变压器通常为定制组件。此外,在FET以及输入和输出电容器中存在很高的组件应力。在稳定照明应用中,可通过使用一个“慢速”反馈控制环路(可调节与输入电压同相的LED电流)来实现功率因数校正(PFC)功能。通过调节所需的平均LED电流以及与输入电压同相的输入电流,即可获得较高的功率因数。                                              图4反激式转换器可提供隔离和功率因数校正功能  调光技术  需要对LED进行调光是一件很平常的事。例如,可能需要调节显示屏或调节建筑灯的亮度。实现此操作的方式有两种:即降低LED电流或快速打开LED再关闭,然后使眼睛最终得到平衡。因为光输出并非完全与电流呈线性关系,因此降低电流的方法效率最低。此外,LED色谱通常会在电流低于额定值时发生改变。请记住:人对亮度的感知成指数倍增,因此调光就需要电流出现更大的百分比变动。因为在全电流下,3%的调节误差由于电路容差缘故可在10%的负载下放大成30%甚至更大的误差,因此这会对电路设计产生重大的影响。尽管存在响应速度问题,但通过脉宽调制(PWM)来调节电流仍更为精确。当照明和显示时,需要100Hz以上的PWM才能使人眼不会察觉到闪烁。10%的脉冲宽度处于毫秒范围内,并且要求电源具有高于10kHz以上的带宽。  结论  如表2所示,在许多应用中使用LED正变得日益普遍。它将会采用各种电源拓扑来为这些应用提供支持。通常,输入电压、输出电压和隔离需求将规定正确的选择。在输入电压与输出电压相比总是时高时低时,采用降压或升压可能是显而易见的选择。但是,当输入和输出电压的关系并非如此受抑制时,该选择就变的更加困难,需要权衡许多因素,其中包括效率、成本和可靠性。                                                 表2许多LED应用都规定了多种电源拓扑   编辑:向佐

一提到电源设计,大多数工程师都会感到挠头,他们往往会问“从哪里入手呢”。首先先必须确定电源的拓扑,包括降压、升压、flyback、半桥和全桥等,还要确定控制方案、电压模式、电流模式、固定导通时间等。其他问题还包括:(1)电源的频率特性如何?这将决定应该使用何种电感和电容,以满足输出纹波和负载暂态响应的要求。(2)为了确保整个电路在各种负载、温度条件下的稳定性,应该采用哪种补偿方案呢?(3)选择“合适的”MOSFET也并非小事一桩。驱动电路能否控制MOSFET的栅电容?寄生电容和Rds(on)又将如何影响总功耗?但需要回答的问题还不仅仅局限于此。PCB设计工程师可能会来告诉你,PCB板上没有足够的空间来容纳所有选定的元件。控制器应该放在哪里?或者,MOSFET、输入电容、电感、输出电容、控制电路等等又该放在哪里?采用何种接地方案?PGND和AGND在哪里连接?为了获得最佳的电磁干扰(EMI)性能或消除噪声干扰,如何才能尽量减少AC环路?散热器应放在哪里?气流的方向如何?应该使用多少过孔?上述这些问题表明,电源开关稳压器的设计不是一项简单的任务。但Intersil的集成化FET DC/DC稳压器使降压电源转换器的设计变得轻松自如。这些IC芯片内部已经解决了大多数棘手问题,并对各种配置进行了优化,如MOSFET尺寸、驱动电路、电流感应元件及限流、环路补偿、温度补偿及过热保护等。开关频率高达1MHz以上,因此可以使用小型电感和陶瓷电容,这些电感和电容是许多制造商的标准产品。最后,对于大多数解决方案,Intersil还提供了评估电路板和推荐的PCB设计,供客户参考。集成化FET DC/DC转换器的优势图1是一个完整的4A转换器的典型应用电路,采用ISL8014芯片。这种电路仅需极少的外部组件。图2是ISL8014集成FET硅芯片的框图。同一个芯片集成了众多的特性和功能,从而使得电源设计变得非常轻松。

表3:SEPIC较反激式拓扑具有更大的优势

图4. 图3所示双电感降压转换器在各种输入电压下的负12V负载调整曲线

美国国家半导体的产品包含可实现多种拓扑结构的众多开关稳压器集成电路。此外,美国国家半导体专为LED应用开发了一系列集成电路,其中很多具有适合汽车电子系统应用的功能。本文将探讨几个汽车电子系统大灯驱动的应用示例。

图3b:LX开关波形(升压)。

反激式转换器相对来说更加简单且已经被人们所熟知,这是它的优势,SEPIC能提供更高的效率而且元件的承载能力也可以低一些。表3对这两种方案进行了比较。由于具有较低的FET及二极管电压,SEPIC的效率更高。而反激式拓扑的元件面积更小,因为SEPIC的磁性元件相对较大。两种设计方法的元件数目相近,其中功率元件的数量相等,支持元件的数量相近。反激式拓扑的一个不足是需要使用缓冲电路。连续输入电流不仅能降低SEPIC输入电容的纹波电流额定值,而且可以提高系统的电磁抗干扰能力。如果在12V输入端有其他负载,反激式拓扑更可能会在输入端产生不连续的输入电流以及不必要的纹波,这需要额外进行滤波。

爱动脑筋的小伙伴们,还能通过LT8315芯片设计出哪些电路呢,快来多多留言讨论吧~

在建立LED供电的电子驱动解决方案时,需要考虑两个主要的DC/DC电源类别,分别是线性稳压器和开关稳压器。线性稳压器具有减少零部件数和降低电磁干扰的优点,但在效率和热耗方面有严重的弊端。因此,开关稳压器是很多设计师的驱动解决方案首选。直流电源和需要的LED数目与类型决定了LED驱动器的拓扑结构选择。如果电源电压超出总LED电压,就需要降压转换器。如果LED组的电压超出电源电压,就需要升压转换器。最后,根据具体的条件,LED电压可能高于或低于电源电压,这样,就应该采用降压/升压或单端初级电感转换器等电源拓扑技术。

图2:4A集成FET功率转换器内部电路框图

图1:典型汽车立体声音响系统电源演示板 (左边为SEPIC,右边为反激式拓扑)

线性稳压器已广为人知,并且通常位列双极性电源备选方案的首位,但它不适用于上述高输入电压、低输出电压的应用,这主要是由线性稳压器在高降压比下的散热所导致。此外,双极性解决方案至少需要两个集成电路(IC):一个正输出线性稳压器和一个负输出转换器。更好的解决方案是使用单个开关稳压器,该开关稳压器从较高的输入产生两个输出,并具有良好的效率和调节性能,同时还能适用于狭小空间并降低成本。

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本文小结Intersil的集成化FET稳压器拥有众多的特性和功能选择,使其更易于使用,在采用内置环路补偿时,情况尤其如此。本文列出了在低输入电压应用中建议采用的输出电感和电容,还讨论了简洁的设计步骤和版图设计。通过这些简单的步骤,大多数设计人员可以得到所需要的结果。对于采用外接补偿的集成FET,其规格书中几乎都会附有具体而详细的分析。

此外还要考虑控制环路的特性。与反激式拓扑相比,SEPIC控制环路特性的文献描述较少,所以没有得到普遍认识。在CCM模式下工作及实施电流模式控制的SEPIC给控制系统提出了一些控制环路难题,包括补偿一个恰当的右半面零点(right half-planezero)以及随输入电压及输出负载而大幅变化的闭环增益。这样会导致较低的控制环路增益,从而降低负载瞬态性能。但是,如果处理得当的话,SEPIC转换器能提供一个卓越的高效解决方案。(end)

采用双电感的非隔离型双极性降压稳压器

图片 1

1.内置MOSFET请注意图2具有VIN管脚到LX管脚的高边功率P沟道MOSFET,以及LX管脚到PGND管脚的低边N沟道MOSFET,因此不需要再浪费时间去寻找合适的MOSFET。这些内置MOSFET与驱动电路一起,在开关频率、负载电流、输入电压、温度范围等方面可以满足广泛的应用需求。

图2:SEPIC(左)及反激式拓扑(右)的简化电气原理图

无需用于调节的光隔离器

使用升压稳压器的大灯示例

驱动电路的上升和下降时间约为3ns,在EMI噪声和功耗之间达到了最佳平衡。非重叠时间、高边和低边MOSFET的开/关转换时间(或称死区时间)都得到很好控制,以免出现直通现象。在LX到PGND管脚之间,不需要另外使用肖特基二极管来提高效率。开关波形请见图3a和图3b。

图3:反激式转换器设计图

作者:ADI

LED正越来越多地用于汽车大灯及其他前视照明系统。典型的大灯应用可能使用以多种方式排列的10个白色LED。对于各LED最大VF为4V的情况,如果设计师希望使用在一个灯组中串联全部LED的拓扑结构,将需要设置DC/DC级来驱动LED。在这种情况下,可以对标称12V~14VDC电源总线使用单个升压开关功率级。

2.断续模式与连续模式可供设计人员选择的集成稳压器很多。对于不过分考虑成本的产品,Intersil提供一种标准的降压稳压器,该稳压器在轻载时采用断续模式(DCM),并需要外接功率肖特基二极管。另一方面,还有很多不需要外接肖特基二极管的同步降压稳压器,可以工作在连续模式(CCM)及/或DCM模式。3.内置与外接环路补偿Intersil提供的大多数低输入电压稳压器均具有内部补偿功能,设计人员不需要保证每种工作条件的稳定性。所选择的参数支持规格书中列出的大多数典型应用。对于额定输入电流范围更宽或额定输出电流较高的稳压器,则采用外部补偿,以获得更大的灵活性。产品规格书提供了清晰的说明和设计指南。4.带温度补偿的过流保护表1所列的Intersil集成稳压器具有过流保护功能。高端功率P沟道MOSFET的区域,对峰值电流进行监测。这可以防止外部噪声,而外部噪声可能需要增加额外的滤波器并延长保护响应时间,对于没有集成MOSFET的IC,情况常常如此。如果吸入电流过大,比较器将翻转,高端MOSFET被关断。除很强的抗噪声能力和过流保护功能外,稳压器具有的温度补偿功能也可以在整个允许的温度范围内保持相对恒定的极限值。温度每变化1?C,大多数MOSFET的Rds(on) 将改变0.5%。对于采用外接MOSFET的方案,特别是使用外接MOSFET感应电流时,很难根据温度变化进行调节,除非增加额外的成本和/或电路的复杂程度。集成的稳压器可以根据MOSFET的变化方便地进行内部调节。与外接电路相比,功率器件和控制部分之间的热耦合更为紧密。带温度补偿的器件与不带温度补偿器件的比较如图4所示。

图2中的SEPIC 转换器也是在连续电流模式(CCM)下工作。Q6接通后,C26的正极接地,此时变压器T2的主次级线圈匝比相同,就会在C26的负极施加一个与变压器输入端相等的负电压。也就是说电容上会有一个所示极性的输入电压,在这个电路中,当开关导通时,电能不断储存在初级电感中;电流流入次级电感及耦合电容(C26),以均衡其电量。开关断开,Q6上的电压开始消失;一个来自初级线圈 (通过C26)与次级线圈(通过 D9)的电流形成了输出电流。此电路的优点在于场效应管(FET)电压与二极管电压都被电容器箝制住了,所以电路的瞬时扰动很小。不过耦合电容器C26上出现很大的纹波电流就像是SEPIC为此 “付出的代价”。然而,此纹波电流在一定程度上会被C19的连续输入电流所产生的纹波电流(比前者小很多)抵消。SEPIC拓扑电路的另一个优点就是能从输入端吸取电能并同时输送到输出端,很像一个自耦变压器。因为功率开关不必处理全部功率传输,所以这种电路具有更高的效率。 表 2 从理论分析及具体数字两个方面比较了这两种拓扑的重要电路参数。此表假设电感纹波电流很小(大电感),所用的是理想二极管。同时假设反激式拓扑占空比是最大值50%。比较反激式拓扑的输入电容与SEPIC 的耦合电容时就会发现:两种拓扑的电容纹波电流很相似。这两个电容器应该有相近的额定电压,因为它们都是由输入电压来充电的。两种拓扑都有很大的交流纹波电流,必须使用低等效串联电阻(ESR)电容器。

图1. 一款用于30V至400V宽输入范围的完整±12V/50mA隔离型反激式转换器

LM342x系列使用控制器集成电路实现所需功能和总体系统设计的最大灵活性。图1以LM3421为例,显示升压配置中使用LM342x系列驱动LED灯组的一个示例。LM342x拓扑结构的一个主要特点是在LED高侧进行电流感应,允许灯组中的最后LED的阴极局部在底盘接地,并使感应电压可以差分地馈送回集成电路。这是一个重要的优点,因为使LED灯组和驱动器集成电路可以彼此分离。