工程師基于保護(hù)LED電源電路的若干方法介紹

引言 　　近年來(lái)，隨著LED技術(shù)的日趨成熟，LED光源因其具有使用低壓電源、耗能少、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時(shí)間短、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越廣泛地使用。 LED電源大都采用開關(guān)電源技術(shù)，輸出多為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源即恒流驅(qū)動(dòng) 。根據(jù)LED的伏安特性，電壓的微小變化可導(dǎo)致電流的很大變化，有可能損壞LED， 且開關(guān)電源中控制電路比較復(fù)雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因此驅(qū)動(dòng)電源的可靠性影響了LED應(yīng)用產(chǎn)品的壽命，為了保護(hù)開關(guān)電源自身和負(fù)載的安全，延長(zhǎng)使用壽命，必須設(shè)計(jì)安全可靠的保護(hù)電路。 　　1 直通保護(hù)電路 　　半橋和全橋是開關(guān)電源常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，“直通”對(duì)其有很大的威脅，直通是同一橋臂兩只晶體管在同一時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。 在換流期，開關(guān)電源易受干擾而造成直通，過(guò)大的直通電流會(huì)損壞用于逆變的電力電子器件。一旦出現(xiàn)直通現(xiàn)象，須盡快檢測(cè)到并立即關(guān)斷驅(qū)動(dòng)，以避免開關(guān)器件的PN結(jié)積累過(guò)大的熱量而燒壞。這里利用雙單穩(wěn)態(tài)集成觸發(fā)器CD4528設(shè)計(jì)了一種針對(duì)全橋和半橋的直通檢測(cè)、保護(hù)電路。 　　CD4528含兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其真值表如圖1。芯片3腳與13腳分別為其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)獨(dú)立單穩(wěn)態(tài)電路的Clear 端，5腳和11腳為單穩(wěn)態(tài)的B輸入端，4腳與12腳為單穩(wěn)態(tài)的A輸入端。B端接高電平，只有當(dāng)Clear端為高電平時(shí)，A端輸入的上升沿觸發(fā)才會(huì)有效。 　　PWM1與PWM2為PWM芯片輸出的兩路互補(bǔ)脈沖信號(hào)，主電路( 見圖2)中Q1、Q4的驅(qū)動(dòng)與圖3中PWM1同步，Q2、Q3的驅(qū)動(dòng)與PWM2同步。 在A、B、C和D4點(diǎn)進(jìn)行電流上升率采樣然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并分別給圖3中的直通信號(hào)1與直通信號(hào)2。 　　主電路中的左右橋臂對(duì)稱，就左橋臂的直通保護(hù)進(jìn)行分析。 正常狀態(tài)下，當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)，PWM1為高電平，PWM2為低電平，3腳高電平輸入有效，A點(diǎn)和D點(diǎn)沒有電流流過(guò)，不會(huì)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài);雖然B點(diǎn)和C點(diǎn)采到了正常輸出的上升沿信號(hào)，但是13 腳低電平時(shí)輸入無(wú)效，所以不會(huì)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)，沒有保護(hù)信號(hào)輸出; 而在直通時(shí)，Q3由于某種原因誤導(dǎo)通了，A點(diǎn)將檢測(cè)到很大的電流上升率并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào); 此時(shí)PWM1為高電平，圖3中左邊的單穩(wěn)態(tài)被觸發(fā)產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)送到PWM 芯片的shutdow n 端，封鎖PWM脈沖輸出。 　　2 過(guò)流保護(hù)電路 　　當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過(guò)載或者控制電路失效等意外情況時(shí)，會(huì)引起流過(guò)開關(guān)管的電流過(guò)大，使管子功耗增大、發(fā)熱，若沒有過(guò)流保護(hù)裝置，大功率開關(guān)管就可能損壞; 調(diào)節(jié)電路失效還可能導(dǎo)致LED過(guò)流損壞。 過(guò)流保護(hù)一般通過(guò)取樣電阻或霍爾傳感器等來(lái)檢測(cè)、比較，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)，但它們都有體積大和成本高的缺點(diǎn)。 　　這里采用如圖4的方法，在正激變換器扼流圈放置相同匝數(shù)的線徑較細(xì)的線圈。 這兩個(gè)繞組是磁平衡的，它們之間本應(yīng)沒有電壓差。 但是主繞組有直流電阻，大電流時(shí)產(chǎn)生了微小的電壓差，該電壓差由負(fù)載電流決定。這個(gè)微小的電壓差被運(yùn)放檢測(cè)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)Rx可以設(shè)置電流限制。該電路的缺點(diǎn)是電流限制不是很精細(xì)的，這是因?yàn)殂~電阻在溫度每上升10℃時(shí)增加4%。但是這個(gè)電路依然可以滿足我們的設(shè)計(jì)要求。 　　3開機(jī)電流過(guò)沖保護(hù) 　　開機(jī)時(shí)，由于電源濾波電容大，以及各延遲環(huán)節(jié)使得電流采樣反饋值與給定值在調(diào)節(jié)器輸入端不同，這會(huì)使得負(fù)載電流上升過(guò)沖，實(shí)測(cè)過(guò)沖波形如圖5所示。 為了解決這一問題，可以將調(diào)節(jié)器給定端RC 的值適當(dāng)加大，調(diào)節(jié)以后的開機(jī)電流沒有發(fā)生過(guò)沖，波形如圖6. 　　4 關(guān)機(jī)電流過(guò)沖保護(hù) 　　在我們?cè)O(shè)計(jì)的30A/20V開關(guān)型穩(wěn)流電源中，采用控制電路單獨(dú)供電。主電路的濾波電容在工作時(shí)存儲(chǔ)了大量的電能，切斷總電源后，其中存儲(chǔ)的電荷持續(xù)數(shù)秒才能放完。 所以關(guān)機(jī)后單獨(dú)供電的采樣電路先關(guān)而主電路延遲關(guān)閉。調(diào)節(jié)器的給定輸入端由主電路供電，即關(guān)機(jī)后調(diào)節(jié)器的采樣輸入端先降低，給定端緩慢降低，于是其輸出誤差電壓增大，控制芯片增加PWM 的占空比，由此導(dǎo)致了關(guān)機(jī)時(shí)負(fù)載電流的嚴(yán)重過(guò)沖，過(guò)沖時(shí)的電流波形如圖7所示。 　　5 過(guò)壓保護(hù)電路 　　穩(wěn)流型電源若負(fù)載發(fā)生斷路，電流檢測(cè)電阻兩端的電壓下降到零，一旦給定值不為零，調(diào)節(jié)器會(huì)使得輸出電壓急劇飆升至最大值，這對(duì)負(fù)載連接接觸不良時(shí)是很危險(xiǎn)的。 對(duì)LED、半導(dǎo)體制冷等負(fù)載來(lái)說(shuō)，過(guò)壓發(fā)生時(shí)，首要任務(wù)是保護(hù)負(fù)載，其次是保護(hù)開關(guān)功率管。為解決以上問題，有兩種保護(hù)方法同時(shí)使用，一是放置雙向TVS來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬間沖擊電壓的防護(hù)。 　　6 結(jié)語(yǔ) 　　文中主要討論了LED電源的幾種保護(hù)方式，并介紹了一些具體電路。 對(duì)一個(gè)給定的直流開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。 而電源的可靠性將會(huì)影響到LED產(chǎn)品的壽命，因此通常需要用幾種保護(hù)方式加以組合來(lái)構(gòu)成完善的保護(hù)系統(tǒng)，確保直流開關(guān)電源的正常工作。 我們將這些措施實(shí)際用于驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載，工作安全可靠。