基于保護LED電源電路的若干方法介紹

引言 　　近年來，隨著LED技術的日趨成熟，LED光源因其具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩(wěn)定性高、響應時間短、多色發(fā)光等的優(yōu)點被越來越廣泛地使用。LED電源大都采用開關電源技術，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動。根據(jù)LED的伏安特性，電壓的微小變化可導致電流的很大變化，有可能損壞LED，且開關電源中控制電路比較復雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因此驅動電源的可靠性影響了LED應用產(chǎn)品的壽命，為了保護開關電源自身和負載的安全，延長使用壽命，必須設計安全可靠的保護電路。 　　1直通保護電路 　　半橋和全橋是開關電源常用的拓撲結構，“直通”對其有很大的威脅，直通是同一橋臂兩只晶體管在同一時間內(nèi)同時導通的現(xiàn)象。在換流期，開關電源易受干擾而造成直通，過大的直通電流會損壞用于逆變的電力電子器件。一旦出現(xiàn)直通現(xiàn)象，須盡快檢測到并立即關斷驅動，以避免開關器件的PN結積累過大的熱量而燒壞。這里利用雙單穩(wěn)態(tài)集成觸發(fā)器CD4528設計了一種針對全橋和半橋的直通檢測、保護電路。 　　CD4528含兩個單穩(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)部兩個獨立單穩(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Clear端為高電平時，A端輸入的上升沿觸發(fā)才會有效。 　　PWM1與PWM2為PWM芯片輸出的兩路互補脈沖信號，主電路(見圖2)中Q1、Q4的驅動與圖3中PWM1同步，Q2、Q3的驅動與PWM2同步。在A、B、C和D4點進行電流上升率采樣然后轉變?yōu)殡妷盒盘?，并分別給圖3中的直通信號1與直通信號2。 　　主電路中的左右橋臂對稱，就左橋臂的直通保護進行分析。正常狀態(tài)下，當Q1、Q4導通時，PWM1為高電平，PWM2為低電平，3腳高電平輸入有效，A點和D點沒有電流流過，不會觸發(fā)單穩(wěn)態(tài);雖然B點和C點采到了正常輸出的上升沿信號，但是13腳低電平時輸入無效，所以不會觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)，沒有保護信號輸出;而在直通時，Q3由于某種原因誤導通了，A點將檢測到很大的電流上升率并轉換為電壓信號;此時PWM1為高電平，圖3中左邊的單穩(wěn)態(tài)被觸發(fā)產(chǎn)生保護信號送到PWM芯片的shutdown端，封鎖PWM脈沖輸出。 　　2過流保護電路 　　當出現(xiàn)負載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時，會引起流過開關管的電流過大，使管子功耗增大、發(fā)熱，若沒有過流保護裝置，大功率開關管就可能損壞;調節(jié)電路失效還可能導致LED過流損壞。過流保護一般通過取樣電阻或霍爾傳感器等來檢測、比較，從而實現(xiàn)保護，但它們都有體積大和成本高的缺點。 　　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)的線徑較細的線圈。這兩個繞組是磁平衡的，它們之間本應沒有電壓差。但是主繞組有直流電阻，大電流時產(chǎn)生了微小的電壓差，該電壓差由負載電流決定。這個微小的電壓差被運放檢測，并且通過調節(jié)Rx可以設置電流限制。該電路的缺點是電流限制不是很精細的，這是因為銅電阻在溫度每上升10℃時增加4%。但是這個電路依然可以滿足我們的設計要求。 　　3開機電流過沖保護 　　開機時，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節(jié)器輸入端不同，這會使得負載電流上升過沖，實測過沖波形如圖5所示。為了解決這一問題，可以將調節(jié)器給定端RC的值適當加大，調節(jié)以后的開機電流沒有發(fā)生過沖，波形如圖6. 　　4關機電流過沖保護 　　在我們設計的30A/20V開關型穩(wěn)流電源中，采用控制電路單獨供電。主電路的濾波電容在工作時存儲了大量的電能，切斷總電源后，其中存儲的電荷持續(xù)數(shù)秒才能放完。所以關機后單獨供電的采樣電路先關而主電路延遲關閉。調節(jié)器的給定輸入端由主電路供電，即關機后調節(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，由此導致了關機時負載電流的嚴重過沖，過沖時的電流波形如圖7所示。 　　5過壓保護電路 　　穩(wěn)流型電源若負載發(fā)生斷路，電流檢測電阻兩端的電壓下降到零，一旦給定值不為零，調節(jié)器會使得輸出電壓急劇飆升至最大值，這對負載連接接觸不良時是很危險的。對LED、半導體制冷等負載來說，過壓發(fā)生時，首要任務是保護負載，其次是保護開關功率管。為解決以上問題，有兩種保護方法同時使用，一是放置雙向TVS來實現(xiàn)對瞬間沖擊電壓的防護。 　　6結語 　　文中主要討論了LED電源的幾種保護方式，并介紹了一些具體電路。對一個給定的直流開關電源來說，保護電路是否完善并按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。而電源的可靠性將會影響到LED產(chǎn)品的壽命，因此通常需要用幾種保護方式加以組合來構成完善的保護系統(tǒng)，確保直流開關電源的正常工作。我們將這些措施實際用于驅動LED負載，工作安全可靠。