LED燈驅(qū)動電源電路圖-詳解LED驅(qū)動電路設(shè)計方案原理圖詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-05-25
根據(jù)驅(qū)動電路的輸出特性，白光LED閃光燈的驅(qū)動電路可分為恒壓型和恒流型；按電路工作原理，可以分為電感升壓電路和電荷泵電路。白光LED是電流驅(qū)動型器件，其亮度與電流成比例關(guān)系。在恒壓型驅(qū)動電路中，往往有一個電阻與白光LED串聯(lián)，用來設(shè)置產(chǎn)生預(yù)期白光LED正向電流所需的電壓。這種方式有一個缺點，即白光LED正向電壓的任何變化都會導(dǎo)致白光LED電流的變化，從而無法保證流過白光LED的電流等于預(yù)設(shè)置值，也就無法確保白光LED的亮度恒定。而在恒流型驅(qū)動電路中，是通過檢測串聯(lián)在白光LED回路電阻的電壓來保證流過白光LED的電流恒定的。這種方式可以消除由正向電壓變化而產(chǎn)生的電流變化，因此白光LED可產(chǎn)生相對恒定的亮度。
由于移動電話的鋰離子電池的工作電壓范圍一般為3.*.2V，而白光LED的正向電壓一般為3～4V，且白光LED閃光燈一般為多個白光LED串、并聯(lián)在一起，以提供閃光功能所需的光通量，所以在低電壓輸入、高電壓輸出的時候，必須采用升壓電路將電壓升高以驅(qū)動白光LED。驅(qū)動白光LED閃光燈時一般采用兩種方式升壓，一種是采用以電感為儲能元件的升壓式變換器，另一種是采用以電容為儲能元件的電荷泵。采用以電感為儲能元件的升壓變換器的優(yōu)點是效率相對較高。
現(xiàn)在的白光LED閃光燈驅(qū)動控制器都集成了控制電路和升壓開關(guān)管，但是電感和用于續(xù)流的肖特基二極管還是外接的，這增加了電路的復(fù)雜性、成本和PCB面積。此外，由于閃光燈驅(qū)功電路、LED閃光燈顯示屏、移動電話的天線一般位于移動電話上端，與移動電話的射頻電路靠得很近，所以有效防止驅(qū)動電路電感的EMI干擾也是很重要的問題。圖1是采用電感升壓變換器驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED的典型應(yīng)用電路。電荷泵采用電容作儲能元件，且不需要外接電感，因此不存在電磁干擾的問題。此外，整個解決方案所占PCB的面積也較小，但相對來說效率較低。由于閃光燈工作時間非常短，持續(xù)時間一般為100～300ms，所以其效率對電池使用時間的影響不是太大。圖2是采用電荷泵驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED的應(yīng)用電路。
圖1 采用電感升壓變換器驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED
圖2 采用電荷泵驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)白光LED的應(yīng)用電路
在白光LED驅(qū)動電路的設(shè)計中，有兩個參數(shù)會影響設(shè)計方案的選擇，一個是白光LED正向電壓，另一個是電源的工作電壓。電感式升壓變換器通常用于驅(qū)動串聯(lián)的白光LED，它能夠產(chǎn)生充是的輸出電壓，以提供可被編程的驅(qū)動白光LED電流。采用這種驅(qū)動方法時，因為無論正向電壓高低，所有的白光LED都能獲得相同的電流，又因為白光LED的亮度與流經(jīng)白光LED的正向電流成正比，所以白光LED陣列的亮度非常均衡、和諧。
電荷泵可以產(chǎn)生值為輸入電壓整數(shù)倍的輸出電壓。若要提高其擴大倍數(shù)，需增加泵電容和開關(guān)電路，因此電荷泵的實際輸出電壓被限制為了2倍的輸入電壓。雖然有些電荷泵能夠提供分?jǐn)?shù)倍輸出電壓（1.5倍），但是需要2個泵電容。
因為2倍壓是最方便的升壓倍數(shù)，考慮到白光LED典型的正向電壓，則電荷泵方法主要用于驅(qū)動并聯(lián)的白光LED。因為每個并聯(lián)支路的白光LED必須獨立控制，這必然會導(dǎo)致白光LED陣列之間出現(xiàn)輕微的亮度失諧，這種亮度失諧現(xiàn)象在電荷泵驅(qū)動方法中是不可避免的。
與整數(shù)倍壓電荷泵驅(qū)動方法相比，電感升壓變換器的效率更高。改用分?jǐn)?shù)倍壓電荷泵雖然可以提高性能，但是其遠(yuǎn)不如電感升壓變換器設(shè)計方案。因為在電感升壓變換器設(shè)計中，白光LED是串聯(lián)的，所以升壓控制器與白光LED之間只需兩條PCB走線。這在設(shè)計上是一個很重要的優(yōu)勢，例如，如果白光LED的數(shù)量發(fā)生了變化，或者單獨安裝在一個相機閃光模塊上，則電感升壓變換器的設(shè)計很容易適應(yīng)這種變化，而采用電荷泵方案的PCB必須完全重新設(shè)計。
雖然電感升壓變換器設(shè)計的引腳數(shù)量少，且允許使用比電荷泵設(shè)計更小的封裝，但是電感升壓變換器需要電感器，這會導(dǎo)致占PCB的總體面積變大、變厚。另外，與電荷泵設(shè)計中的泵電容對比，其外接電感器成本昂貴。另外，電感升壓變換器的噪聲通常比電荷泵高，因此為了限制或避免不同組件之間的干擾，需要更精確的設(shè)計。
原理分析：為了方便分析，我把它分成幾個部分來講，盡量分的細(xì)一點來講，如下：
1：輸入過壓保護---主要是雷擊或者市沖擊帶來的浪涌）
2：整流濾波電路---將交流（或者是直流）變成直流的過程
3：箝位電路---------主要是吸收變壓器工作時產(chǎn)生的尖峰和反向電動勢
4：IC工作過程--------主要是IC的供電原理，變壓器的工作方式，電壓變換過程。
5：輸出整流---------將交流再次變成平滑理想的直流電壓過程
6：恒流原理---------電路中穩(wěn)定輸出電流控制過程分析
首先電壓從“+48V、GNG”兩端進來通過一個R1的電阻（這個電阻的作用就是限流，當(dāng)后面的線路出現(xiàn)短路時，R1流過的電流就會增大，隨之兩端壓降跟著增大，當(dāng)超過1W時就會自動斷開，阻值增加至無窮大，從而達(dá)到保護輸入電路+48V不受到負(fù)載的影響）限流后進入整流橋，另一方面R1與旁邊的MOV1構(gòu)成了一個簡單過壓保護電路，MOV1是一個壓敏元件，是利用具有非線性的半導(dǎo)體材料制作的而成，其伏安特性與穩(wěn)壓二極管差不多，正常情況顯高阻抗?fàn)顟B(tài)，流過的電流很少，當(dāng)電壓高到一定的時候（這里主要是指尖峰浪涌，如打雷的時候高脈沖串通過市電串入進來），壓敏MOV1會顯現(xiàn)短路狀態(tài)，直接截取整個輸入總電流，使后面的電路停止工作，這時候，由于所有電流將流過R1和MOV1，因R1只有1W的功率，所以瞬間可以開路，從而保護了整個電路不被損壞。
當(dāng)+48V電壓進入整流橋D1時，輸出一個上正下負(fù)的直流電壓（這里我要說明一下，如果+48V是交流的那么直接整流，如果+48V電源本身也是直流的，那整流橋的作用就是對輸入起到的是極性保護作用，無論輸入是上正下負(fù)還是上負(fù)下正都不會損壞驅(qū)動電源）通過C1\C2\L1進行濾波，這是一個LC Π型濾波電路，目的是將整流后的電壓波形平滑的直流電。
這個箝路電路存在的理由其實就是保護IC里面的MOS管，其過程為－－整流濾波以后的電壓分成2路，一路通過變壓器繞組后進入IC TK5401的第7、8腳，這個我們等下在后面來講，先看箝位這一路，這路是通過R1、C3、D2然后也連到7、8腳，這個R1、C3、D2就組成了一個簡單的箝位電路，主要功能就是用來吸收尖峰和浪涌的，這和剛才輸入那個MOV1是不一樣的，MOV1主要是防止打雷或者市電沖擊起到保護作用，這個箝位它的功能是吸收變壓器T1繞組兩端的反向電動勢，以消除自激振蕩，說白了就是快速復(fù)位的意思，為變壓器進入下一個周期做好準(zhǔn)備，因為如果變壓器得不到復(fù)位就會飽和，這樣就會失去感抗，這個R1和C3就組成了一個RC充放電回路，用來反向積累的電動勢，D2主要是隔離作用，就在變壓器在正半周的時候（就是感應(yīng)電動勢為上正下負(fù)時）使整過環(huán)路處于斷開狀態(tài)，而等變壓器進入負(fù)半周時，給箝位電路提供通路，快速將電動勢環(huán)路處于斷開狀態(tài)，而等變壓器進入負(fù)半周時，給箝位電路提供通路，快速將電動勢釋放，從而達(dá)到保護IC里頭的MOS管不被尖峰擊穿而損壞。
這里面的變壓器，根據(jù)它的同名端判斷為反激式工作方式，就是變壓器的初級和次級的相位是相反的，在同一時間，兩者相關(guān)180度，目前也有正激式的，那就是同頻同相，這個將來有機會了我再和大家具體分享；我們還是回到這個IC問題上面來，這個IC有8個腳，這里我邊講邊介紹它引腳的功能，我們接著剛剛那個說的那個整流濾波后通過變壓器繞組然后進到IC的7、8腳，這個7、8腳就是IC里面MOS管的“D極”也叫漏極（相當(dāng)于以前NPN三極管或者開關(guān)管的集電極），另外接地的是“S極”也叫源極，整過電源電壓的變換都由D極”和S極兩個引腳的接通和斷開來實現(xiàn)，就是它們工作時會一直處在接通和不接通狀態(tài)，反復(fù)的接通和斷開使變壓器實現(xiàn)在電－－磁－電的變換，至于它是怎么進行接通和不接通的？這個頻率又是多少？
A第一次變換的建立：就是第一個波形是怎么來的，當(dāng)IC的7、8上電以后，電壓另一方面通過IC的7、8腳連通的內(nèi)部啟動電路給IC供電，使用IC開始工作，此時IC將輸出第1個方波脈沖傳遞給IC內(nèi)部MOS管的“G極”也叫柵極，使D極和S極接通，這時D極和S級等電位，而S極又是接地的，也就等于把變壓器的一端瞬間接地，從而產(chǎn)生回路，我們都知道變壓器是感性元件，就是電流不能突變，所以它自身會產(chǎn)生感抗來阻止電流突變。從而按照線性的曲線進行變化，就像這個波形一樣，它是慢慢上升，為了能夠阻止它突然，它會產(chǎn)生一個與它相反的感應(yīng)電壓勢來抑制它，這樣一來，下面的繞組和次組繞組就會跟著產(chǎn)生電動勢，從而產(chǎn)生電壓，電—磁—電轉(zhuǎn)換的機理也在于此，當(dāng)然這是變壓器和磁性材料本身具有的特性。
B第二次變換的建立：當(dāng)變壓器下面的繞組產(chǎn)生電動勢以后（我們通常把它叫著正反饋供電繞組），通過D3整流，R3限流，再經(jīng)C4濾波后分成二路進行供電，一路給IC的第2腳供電，另一路給光電耦合器件M10B供電，這個光耦我們講穩(wěn)壓的時候再講，當(dāng)?shù)?腳開 始供電時，IC內(nèi)部的整個PWM供電控制系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)到由正反饋繞組供電，使內(nèi)部振蕩電路繼續(xù)工作，從而輸出第2個脈沖控制信息，使MOS管開次開通，如此周而復(fù)始的使用MOS不斷的處理開和關(guān)狀態(tài)進而讓變壓器工作在電－磁－電的轉(zhuǎn)換狀態(tài)。這里我提到了PWM供電控制系統(tǒng)和內(nèi)部振蕩電路，可能讓大家有覺得有些含糊，我會把它們單獨抽出來最好是用分立元件來描述它們的信號流程和工作原理，這樣可能就形象，通俗易懂一些，那時候再融入到這個電路里面來理解可能就不會抽象了，現(xiàn)在的電路都是集成電路了，內(nèi)部的信息流程就不太好形象化，讓我們只知道它的功能，不知道它的進程，這樣總是不能夠加深對它的理解，我個認(rèn)為最好是用分立元件來分析它。
變壓器工作以后，次級就會輸出一個電壓通過D4整流，C8和L1進行濾波，然后給LED燈進行供電，這里的L1除了能夠濾波，還有續(xù)流的作用，就是保持輸出電流的一致性，正是利用電感中的電流不能突然這一特性。
它的工作過程，最后講一下這是怎么實現(xiàn)恒流的，順便先講了一下這個IC的每個引腳功能，8腳為MOS輸入端，6腳是空腳，5腳外接的電容是振蕩電容，它的容量直接決定了RC時間常數(shù)，就是充放電時間，一般充電MOS管是接通時間，放電是斷開時間，第4腳是電壓檢測腳，通過對第4腳的電壓值控制輸出脈沖的占空比，把引腳說完了就重點講第4腳；第3腳接地端，第2腳是IC供電腳，第1腳外接的電阻和第5腳的電容組成了RC電路，給IC內(nèi)部提供振蕩源，脈沖的充放電時間常直接由這個電阻和電容決定。我們現(xiàn)在來重點講第4腳，大家看4腳外接的光耦M101B接到那里去了？另一端PC817是不是和輸出電路R4兩端相并聯(lián)了，這個R7在這里是起到檢測電流的作用，根據(jù)電壓＝電流*電阻的原理，這個電流越大，R4兩端的電壓就會越大，這樣說大家應(yīng)該明白吧？電壓越大，那么并連到R4兩端的PC817也會有電壓并且開始導(dǎo)通，導(dǎo)通后副邊的M101B也會跟著導(dǎo)通，就是它內(nèi)阻下降，這樣一來第4腳的電壓就會上升，上升以后與IC里面的基礎(chǔ)電壓相對比，然后會直接輸出一個信號使MOS管提成關(guān)斷，從而達(dá)到恒流目的。
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