基于ADP3806的高功率LED驅動電路設計

許霖霖+羅永道

摘 要： 設計了一種基于ADP3806的高功率發光二極管（LED）的高效驅動電路。ADP3806是一款開關模式電源控制器，擁有雙環路恒定電壓和恒定電流控制、遠程精確電流檢測以及關斷和可編程可同步開關頻率，能提供恒定電流。同時在設計中利用單端原邊電感轉換器（SEPIC），其可以提供一種可以高于或低于輸入電壓的輸出電壓，在適當的占空比下工作，使連續傳導模式（CCM）和脈沖寬度調制（PWM）控制變得簡單，提高了效率，并且避免由變壓器泄漏電感帶來的電壓尖峰和振鈴。從而在需要進行升壓和降壓轉換來同時驅動多個高功率LED的場合，這個設計是非常適合的。

關鍵詞： ADP3806； 高功率LED； SEPIC； 驅動電路

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0148?04

Design of high power LED driving circuit based on ADP3806

XU Lin?lin， LUO Yong?dao

（College of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract： An ADP3806?based high efficiency driving circuit for the high power light emitting diode （LED） was designed. ADP3806 is a switch mode power supply controller， which has double loop constant voltage and constant current control， long?range precision current detection， shutdown and programmable synchronous switching frequency， and can provide constant current. Meanwhile， SEPIC was used in design. Therefore， an output voltage being higher or lower than the input voltage can be provided by SEPIC. Under appropriate duty cycle， continuous conduction mode and the pulse width modulation control become easier， and the efficiency is improved. The voltage spikes and ringing caused by transformer leakage inductance can be avoided. The design is very suitable for the occasions that need to boost and buck conversion to drive multiple high?power LEDs simultaneously.

Keywords： ADP3806； high power LED； SEPIC； driving circuit

高功率LED作為一種半導體光源，具有效率高、壽命長和節能環保等優點[1]，在油田、石化、鐵路、礦山、部隊等特殊行業、舞臺裝飾、城市景觀照明、顯示屏以及體育場照明等，特種工作燈具中具有廣泛的應用前景，基于大功率LED發展起來的半導體照明技術已經被公認為是最具發展前景的高技術領域之一[2]。在這些高功率照明應用中，人們考慮使用多種方法來驅動這些照明燈。在本文中，將討論一種新的驅動方式的拓撲結構，它具有更低的系統成本和更高的效率等效率。

1 驅動電路方案選擇

LED是一種電流控制器件，因此設計中，首先需要保證的是流過高功率LED的電流恒定，使用ADP3806能實現恒定電流控制并能實現遠程精確電流檢測。因此，利用ADP3806，并結合SEPIC設計高功率LED驅動電路。

1.1 ADP3806介紹

ADP3806是一款開關模式電源（SMPS）控制器，擁有雙環路恒定電壓和恒定電流控制、遠程精確電流檢測以及關斷和可編程可同步開關頻率[3]，如圖1所示。并且對于不同應用要求，可在各種拓撲結構中配置該控制器，比如升壓、降壓以及本文中所應用的SEPIC，從而實現高達95%的效率。VCC用于主供電，最小VCC為6.25 V（欠壓閉鎖UVLO電壓）且最大VCC不得超過23 V，導致開關驅動器電壓BST為30 V，即結擊穿電壓。因此VCC范圍是6.5～20 V。SYS-為主電源輸出電壓監測；SYS+為主電源輸入電壓監測；LIMIT電流門限調整；CT為振蕩器外接定時電容；SYNC為振蕩器同步和頻率選擇（接地）；REG為6.0 V電壓輸出；REF為2.5 V基準電壓；[SD]為關閉輸入（低電平關閉，高電平開啟）；COMP為外部補償電容；LC為低電流輸出；BATSEL為電池電壓檢測輸入；ISET為充電電流大小設計信號輸入；CS-為電池電壓檢測輸入；CS+為電池充電電壓反饋輸入；DRVL為低端驅動器方波輸出；BSTREG為7.0 V電壓輸出；BST為高端驅動器供電；DRVH為高端驅動器方波輸出；SW為高端驅動器檢測輸入點（電流反饋輸入）[3]。

圖1 ADP3806引腳圖

1.2 SEPIC介紹

單端原邊電感轉換器（SEPIC）屬于升降壓系列器件中的一種如圖2所示。VOUT和VIN具有相同的極性，主要用于VIN可在VOUT上下變化的應用。圖中L2的一端接地，其兩端的平均直流電壓均為0 V。

該方法克服了其他方法中存在的諸多缺點。該設計中使用SEPIC，可以顯著減少主開關和整流器開關的電壓應力，而不會明顯地增加電流應力。可以更好的權衡和選擇性價比高的器件組合，增加了MOSFET和肖特基整流器的選擇范圍，克服整流器通常存在高電壓的缺點。適當的而不是極高的PWM占空比，可以實現連續傳導模式即CCM工作，從而使反饋環路變得簡單，實現簡單的電流模式控制。EMI和噪聲也得以降低，這是因為開關節點上的峰峰值電壓擺幅較低，同時提高了效率，原因在于：適當的占空比，低電壓MOSFET和整流器，由于降低峰峰值電壓擺幅而減少了開關損耗[4]。此外驅動電路中由于多電感放電通路可能會抑制高頻振鈴，高頻輻射可能會減少，同時也不存在由變壓器泄露電感引起的振鈴或尖峰；并且不會出現電荷泵常會產生的電流波形失真和電流應力增加的情況，因此該方法屬于無電荷泵缺陷的真正開關。

圖2 SEPIC轉換器

2 高功率LED驅動電路設計

LED驅動電路原理圖如圖3所示。

設計中，根據不同LED應進行具體配置。為確保VCC引腳處有干凈的電壓源，所以需在輸入源和IC之間使用一個RC旁路網絡，去耦電容C1的值可在0.1 μF至22 μF這一范圍內。關斷控制引腳[SD]接受外部控制邏輯輸入，該設計中選擇自動啟動，則可使用來自VCC的分壓器，以確保此引腳的電壓低于其限值10 V且高于其邏輯電平2.0 V。連接至CT引腳的電容用于設置開關頻率，為了在總的系統物理尺寸和效率之間取得最佳平衡，建議開關頻率保持在300～750 kHz范圍內。較高開關頻率會需要更多的柵極驅動功率并產生更多開關損耗，比如高達1 MHz時，從而導致效率更低，電感的值則可調低以降低系統的物理尺寸和成本[5]。使用較高的開關頻率還存在另一弊端，即占空比范圍會降低，這樣輸出電壓范圍會縮小。 ADP3806中有三個內部低壓差（LDO）穩壓器，REG，REF和BSTREG是其輸出引腳，分別接圖中所示容值大小的電容將這些引腳去耦可以確保穩壓器的穩定性。ISET引腳電壓和電流檢測電阻將決定輸出電流，因此ISET引腳處需要的電壓應從REF引腳即2.5 V精密基準電壓源處產生，REF引腳最大輸出電流是500 μA。為了產生更高的設置電壓，分壓器可以接REG引腳為6 V。但注意，REF的精度為1%，REG的精度為3%。在CS+和CS?引腳的兩端，應在PCB布局的這些引腳旁放置一個濾波電容約220 nF，以便過濾噪聲。

控制器具有同步整流功能，設計中利用這一功能提供最高的功率轉換效率。通過不同的電源為控制器和功率級供電，功率級輸入電壓可以低至6.5 V，最大值不得超過20 V。CS+和CS-之間最大差分輸入電壓是160 mV。電流檢測電阻RCS一定要選取合適阻值，以便最大限度地減少其功率損失以及為控制裝置提供充足的信號，且輸出電流應為：

[ILED=VISET25RCS] （1）

原理圖中的輸出電容COUT為可選項。如沒有COUT，進入LED的電流是非連續的，按（1-D）的占空比波動，D為PWM控制裝置的占空比。如果有COUT，LED中的電流可以變得更加平滑，因此需要合適的輸出電容才能實現所需的驅動電流模式。利用輸入電容CIN可以吸收輸入紋波電流，通常，放置兩個10 μF/25 V陶瓷電容就足夠了。而電感L決定了紋波電流，為了優化系統尺寸和效率，建議紋波電流為標稱輸出電流的[13]左右[6]。

設計中，利用主驅動輸出DRVH控制主開關SW1，SW2作為二極管開關則用于整流，主開關SW1打開時整流開關SW2會導通，控制器處于關斷模式時，實現輸出與輸入源隔離。為了避免過壓輸出，可連接電壓環路，設置最大容許輸出電壓即VOUTM。因為內部基準電壓為2.5 V，故最大輸出電壓的設置如式（2）所示：

[VOUTM=2.5ROVPT+ROVPBROVPB] （2）

選擇合適的分壓器電阻，來設置過壓保護點VOUTM。CCH，CCL和RC組成閉環的環路補償網絡。需要對其進行仔細設計，以確保系統穩定性和控制速度[7]。

如果在輸出端串聯更多的高功率LED，需要更大的電壓[8]，則可在SEPIC上增加二極管和輸出濾波器得到SEPIC乘法升壓轉化器，且其電流能保持恒定。如圖4所示，L2現在連接至D1和CF1的節點，其兩端都具有等于CF1上升壓電壓的平均直流電壓，而非接地。

圖4 N=2的SEPIC乘法升壓轉換器

示例中采用N=2級，電感繞組為分立或耦合（其中繞組電感L1和L2完全相同）。同時可計算出[VCF1]上電壓為：

[VCF1=VIN+VOUT-VINN=2] （3）

此時，CCM占空比應為：

[D=VCF1-VINVCF1] （4）

同時，使用如下公式：

[VPEAK=VCF1=VIN+VOUT-VINN] （5）

可以確定N的值，其中VPEAK是Q1的峰值，從而使MOSFET和二極管可以在合理的額定電壓下工作，此處二極管最好使用肖特基二極管以減少開關損耗。且該方法能避免電荷泵常見的差分電流尖峰。

在ADP3806上，控制ISET引腳處的電壓便可輕松實現亮度控制，因為輸出電流IOUT由ISET引腳處的電壓VISET設置，原理見式（1）。調節亮度控制常用兩種基本方式：第一種是改變ISET引腳處的VISET控制輸出電流，采用2.5 V的VREF基準電壓的電位計或6 V的VREG供電軌可做到這一點。為了最大限度地縮小電路板空間、避免布局不靈活、保證可靠性，可考慮使用數字電位計而不是相應的機械器件來實現亮度控制[9]，而現在的數字電位計通常有內置去抖器和零電平/中間電平可選預設功能，不僅可以進行亮度控制，還提高了電路靈活性。這種控制簡單，但存在低效問題，因為LED的效率在滿電流額定值條件下往往比較高，但在電流降低時效率就會比較低[10]。為了解決這種問題，可采用PWM亮度控制方案。即定期將ISET引腳短接到AGND，而VISET顯示了一種PWM模式，與輸出電流IOUT一樣。把開漏MOSFET連接至ISET引腳，輸出的亮度會由數字信號控制，微控制器可生成該信號。控制器對控制信號做出反應需要一段時間，故亮度控制PWM信號頻率應遠遠低于控制環路的帶寬，因而比開關頻率要慢得多[11]。圖5顯示了典型高亮度LED的效率和其驅動電流的關系，其中IOPT是發光效率最高時的最佳驅動電流點。效率優化型亮度控制方法是通過PWM電流模式來驅動LED。電流以D的占空比從0變為IOPT。這導致在連續IOPT驅動時有最大發光輸出。當需要輸出更多光時，適當提高驅動電流。

圖5 典型高亮度LED的效率曲線

3 結 語

本文主要介紹了一種基于ADP3806開關模式電源控制器，設計了高功率LED驅動電路，該電路實現了恒定電壓和恒定電流控制，遠程精確的電流檢測，減少損耗的同時提高了效率，并使EMI和噪聲大大降低。

參考文獻

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圖5 典型高亮度LED的效率曲線

3 結 語

本文主要介紹了一種基于ADP3806開關模式電源控制器，設計了高功率LED驅動電路，該電路實現了恒定電壓和恒定電流控制，遠程精確的電流檢測，減少損耗的同時提高了效率，并使EMI和噪聲大大降低。

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圖5 典型高亮度LED的效率曲線

3 結 語

本文主要介紹了一種基于ADP3806開關模式電源控制器，設計了高功率LED驅動電路，該電路實現了恒定電壓和恒定電流控制，遠程精確的電流檢測，減少損耗的同時提高了效率，并使EMI和噪聲大大降低。

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