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基于开关电源芯片MC33167的LED驱动器开发

2012-5-23  来源:21IC  有3976人阅读

  大功率白光LED是新一代半导体光源,属于非线性负载。由于无法大范围精确地描述其负载特性,因此通过电压型驱动器无法有效地控制LED的发光特性。当负载电压有微小波动就可引起电流很大的变化,从而使亮度发生较大变化。如果负载电压波动过大,则可能将LED烧坏。

  引言

  大功率白光LED是新一代半导体光源,属于非线性负载。由于无法大范围精确地描述其负载特性,因此通过电压型驱动器无法有效地控制LED的发光特性。当负载电压有微小波动就可引起电流很大的变化,从而使亮度发生较大变化。如果负载电压波动过大,则可能将LED烧坏。LED负载电流与LED的发光亮度、色温、效率、光通量以及使用寿命紧密相关。因此,超高亮度LED通常都采用恒流源驱动。虽然大功率白光LED的发效率比较高,但总体效率不仅取决于LED本身,也与驱动电路有关,因此设计电流型开关转换器是满足LED应用的高功率及高效率要求的理想驱动方案。

  2 LED驱动器的设计思想

  由于该驱动器主要用于汽车照明,其电源主要是蓄电池,因此需要一个DC/DC转换器来准确调节LED的恒定电流,进而获得LED光强的一致性和颜色的完整性。车载系统的LED照明工作方式变化范围较大,故其驱动器也应适于不同的应用需要。汽车电池的标准电压为12 V,电池电压在电量耗光时可能降至8 V,而发动机运行时交流发电机则可能将其电压充至14 V。由于汽车电池电压的变化范围很宽,所要求的输出电压就可能高于或低于输入电压,故LED驱动器需要采用升一降压的电路结构来适应保持LED的恒流要求。

  考虑LED驱动器作为电流控制系统的本质特点,选择通用开关电源芯片MC33167为核心器件,它采用7.5~40 V低压直流供电,芯片内部开关管通过电流最大可达5 A,并且通过配置合适的外围电路就可实现升-降压功能,因此该芯片完全可做为汽车用LED驱动器的核心芯片。

  3 开关电源核心芯片的分析研究

  LED特种照明驱动器的开关电源芯片采用MC33167,该芯片可提供多种功能,其内部结构如图1所示。如超过5 A的输出开关电流,无需外接电阻即可提供5 V的输出,内部2%精度的基准源,可提供欠电压保护和内部热保护,各种保护模式可使电路工作在安全状态下。在保护模式可将电源电流降至36μA,大大降低芯片的功耗。内置72 kHz固定频率的振荡器,可使开关电源输出较高频率的PWM,因此在芯片外部使用较小的电感电容就可实现滤波作用,大大简化了外部元件。

 

  芯片5脚电位U5与输出电位U2对应关系如图2所示。芯片1脚电位U1变化时(U1与标准电压5.05 V不相等时),U5则相应成比例变化,U5与晶振产生的锯齿波经过PWM运算放大器的比较,输出高电平或低电平,然后经过内部逻辑电路运算控制开关管的导通或关断,从而控制U2。因此随着U5的变化,输出开关管的开关时间也就不同,即U2的占当比发生变化,从而控制输出电压的大小。当U1降低时,U5升高,同时控制U2的占空比升高,平均值增加,所以输入U1与输出U2成反比变化。因此在芯片外部增加负反馈电路就可以形成稳定的电源。

  4 LED驱动器电路开发

  4.1 从电压源到电流源的结构设计

  电压源电路中,其输出电压必然为U1=5 V,即电源芯片内部的基准电压,否则电路无法稳定。经过实际电路的测试,试验结果显示电路工作正常,可以获得稳定的输出电压Uo=5 V。由电压源可进一步改变芯片外部的反馈形式,使之成为电流反馈,从而设计电流源。

  电流源电路如图3所示,通过外部叠加电压Uc来控制输出电流。由叠加原理可知:

  IL为负载电流,若取R4=R5,R6=R7,Uref=5 V,单片机输出的控制电压Uc为0~5 V,偏置电压Up为5 V。当Uc=0时,IL=0;当Uc=5 V时,IL=1 A,采样电阻Rc=0.25 Ω,可得:IL=0.2Uc。因此通过调整控制Uc的大小,可以线性控制输出电流的值。

  4.2 LED驱动器的闭环稳定性分析

  由上述可知驱动器控制系统各部分的传递函数,当PWM输出接LC滤波器时,可以得到其总体控制结构如图4所示。

  综合考虑LED驱动器的用途,在设计时控制系统首要考虑系统稳定性和控制精度,同时驱动器主要用于汽车,外界干扰比较大,而且调光速度不会很快,因此系统带宽不需要很大。取滤波电感200μH,电容20μF,此时滤波器谐振频率ωn=15.8 krad·s-1,驱动器开关频率ω=452 krad·s-1,所以输出纹波衰减约818倍,完全满足滤波要求;实测电感电阻及电源芯片内阻之和Rin=0.1Ω,负载电阻10Ω,阻尼系数ξ=0.4 73,此处选择较小的ξ也有利于滤除纹波;电流采样电阻0.1 Ω,滞后校正电路中R2=100 Ω,R3=10 kΩ,C3=1μF,两个转折频率ω1=100 rad ·s-1,ω2=10 krad·s-1,因此有效地降低系统高频增益,并且消除了ξ对系统稳定性的影响;同时驱动器PI控制器中Rf=2 000Ω,Cf=1μF,其零点转折频率ω0=500 rad·s-1,处于滞后校正极点转折频率ω1=100 rad·s-1与系统剪切频率ωc=1150 rad·s-1之间,因此使整个系统幅频特性以-20 dB/dec穿过0 dB线.提高了系统的稳定性。

  滤波器内阻Rin=0.1 Ω时,负载电阻R=10 Ω,L=190μH,C=20μF时系统开环波特图如图5所示,其中图5a为系统不带滞后校正环节时的波特图,图5b为滞后校正后的波特图。由图可知,经过滞后校正系统变稳定,且相角裕度比较大。

  4.3 LED驱动器电路设计

  驱动电流源电路以开关电源芯片MC33167为核心,其工作原理图如图6所示。

  首先考虑电压源,通过电压源的实验电路充分了解电源的工作原理。然后设计得出电压源,通过电压源的实验电路充分了解电源的工作原理。然后设计外部电流反馈环及外部电流控制电路。由于单片机的输出电压范围为0~5 V,因此控制电路还应包括控制电压与单片机输出电压的匹配电路。驱动器智能控制模块电路以单片机PIC18F258为核心,它采用16位高性能RISC CPU,具有1536字节RAM,32 k FLASH,片内含有A/D,EEPROM存储器,具有PWM输出功能,并集成了硬件实现的USART和CAN串行接口。单片机控制模块电路其外围配置有电源、复位、晶振,以及基于PWM信号的电压输出、485-Can通信接口收发器等电路。

  4.4 测试结果分析

  采样电阻为0.25Ω,当改变控制电压时,输出电流应该相应地线性变化,即,IL=0.2Uc。通过实验测得的控制电压与输出电流的对应数据如图7所示。实际对应关系为:IL=0.167Uc+0.043,由实验结果可知实际的控制电压与输出电流对应关系的趋势基本相同。考虑到电路中实际电路参数以及偏差电压的误差,因此该结果完全正常。

  5 结论

  给出所开发的基于开关电流芯片MC331647的LED驱动器,成功实现供给的负载电压可在较宽的范围内变化,并且能带功率较大的负载,采用智能控制模块,实时、准确地控制LED发光强度,测试出驱动器的稳态性能指标,具有在车载LED中推广的价值。

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