基于AL8843 設計制作LED 燈恒流源電路

2023-07-26 03:42:04梁超謝皓

電子制作 2023年12期

梁超，謝皓

（江西信息應用職業技術學院，江西南昌，330043）

大功率白光LED 光效比較高，用于照明其成本也較低，使用比較廣泛。照明用大功率白光LED 在使用中的關鍵是設計恒流驅動電路，要求可靠性高、效率高、能穩定調光。本文以AL8843 為核心芯片設計恒流驅動電路，在電路設計、器件選擇、PCВ 圖設計上進行了充分驗證和優化，經測試后，提供了一款性能指標方面完全達標的方案。供業界同行參考。

1 白光LED 的工作特性

白光LED 的核心為PN 結，所以其伏安特性和普通二極管是一樣的，白光LED 的V-A 曲線詳見圖1。通過圖1 可以看出來，在LED 正向電壓的變化比較小的時候，LED 電流的變化比較大。因為流經LED 的電流出現改變，LED 發光強度也會改變。所以，為了保證LED 發光強度穩定，就要提供給LED 恒定電流[2]。

圖1 白光LED 的V—A 曲線

在理想情況下，LED 的壽命為10 萬小時。由于大功率LED 熱量在小尺寸芯片中集中，芯片PN 結的溫度比較高，導致器件熱應力分布不均勻，使芯片發光效率得到降低。在LED 超過一定值時，器件的失效率會提高。只有保證LED結溫比某個額定值要低的時候，才能夠使LED 壽命延長[3]。

2 電路系統的設計

電路系統主要包含系統供電電路和驅動白光LED 的恒流源電路兩部分電路。圖2 為系統基本原理框圖。第1部分為開關電源電路，主要是將220V 交流電通過開關電源電路轉換為+12V 直流電源，為恒流源電路提供+12V 電壓，此部分電路可由一般的電源適配器（+12V）代替。第2 部分為基于AL8843 設計的LED 燈恒流源電路，通過此電路可有效控制LED 燈的驅動電流，從而控制LED 燈的亮度，要求控制精度高，穩定性、可靠性高。這是本文論述的重點。

圖2 系統基本原理框圖

■ 2.1 AL8843 芯片特性

AL8843 芯片內部結構如圖3 所示，由內部穩壓電源（產生4.5V 電壓）、參考電壓產生電路、PWM 信號發生器（脈寬受控于外部引腳CTRL 電壓）、電流檢測和控制電路（控制輸出能達到的最大電流）、滯后比較器、內部功率MOSFET 開關管、熱保護電路等組成。AL8843 主要用于設計多個串聯連接的LED 恒流驅動電路。直流輸入電壓在4.5V和40V 之間范圍內，能提供可調輸出恒定電流。可調范圍最高可達0～3A。根據電源電壓和外部元件，可以提供高達60W 的輸出功率。

圖3 AL8843 芯片內部結構圖

其主要特點如下：

（1）寬輸入電壓范圍：4.5V～ 40V；（2）輸出電流可達3A；（3）內部40V NDMOS 開關管；（4）輸出電流精度為4%；（5）單引腳的開/關和亮度控制，由直流電壓或脈寬調制信號控制；（6）模擬調光范圍：10%～100%；（7）軟啟動；（8）效率高(高達97%)；（9）LED 短路保護；（10）固有開路LED 保護；（11）超溫保護(OTP)；（12）高達1MHz 的開關頻率。

■2.2 照度可調的白光LED 燈恒流源電路設計

根據AL8843 技術文檔設計照度可調的白光LED 燈恒流源電路如圖4 所示，電路由AL8843 恒流源電路、調光電位器電路和電源電路組成。系統供電通過12V 電源適配器供電。

圖4 系統電路原理圖（恒流源部分）

（1）標稱平均電流的設定

恒流源標稱平均電流的設定是由連接VIN 引腳和SET引腳（AL8843 第3 引腳）的外部電流檢測電阻(RSET)的值決定的。在正常工作情況下，當正常輸入電壓加到+VIN時，AL8843 內部開關將打開。電流開始流過外部電流檢測電阻RSET，電感L1 和LED 電流線性上升，上升速率由輸入電壓VIN,VOUT 和電感L1 決定。這個上升的電流在RSET上產生一個與電流成比例的電壓。AL8843 的內部電路通過RSET 感知此電壓，并將其送至內部比較器的輸入端。當該電壓達到內部設置的上閾值時，內部開關關閉。電感電流繼續流經RSET，L1，LED 和二極管D1，并返回到供電軌道，但電流是衰減的，衰減速率由LED 和二極管D1 的正向壓降決定。這個衰減的電流在RSET 上產生一個下降的電壓，這被AL8843 感知到并送至內部比較器的輸入端。當該電壓降至內部設置得較低閾值時，內部開關再次打開。這個開關在開和關之間不斷循環，持續提供由檢測電阻RSET 設置的標稱平均LED 電流。標稱平均電流IOUT NOM 與電流檢測電阻之間的關系如下式：

表1 給出了圖4 所示應用電路中電流設置電阻(RSET)的幾個首選值的與標稱平均輸出電流值之間的關系。

表1

圖4 中電流檢測電阻R1、R2 并聯時，Rset 為0.05Ω，則設定的輸出電流最大值為2A，如果焊接時不焊接R2，則Rset 為0.1Ω 設定的輸出電流最大值為1A。

LED 電流也可以數字調節，通過將一個低頻脈寬調制(PWM)邏輯信號應用到CTRL 引腳來打開和關閉設備。這將產生一個與控制信號占空比成比例的平均輸出電流。為了達到高分辨率，建議PWM 頻率低于500Hz。通常，對于500Hz 的PWM 頻率，對于1%～100%的PWM，其精度優于1%。低占空比調光的精度受PWM 頻率和AL8843 開關頻率的影響。為了獲得最佳的精度/分辨率，開關頻率應該增加而PWM 頻率應該減少。CTRL 引腳被設計成由3.3V 和5V 邏輯電平直接從邏輯輸出驅動，邏輯輸出可以是開漏輸出或推拉輸出。

（2）如何控制輸出電流大小

本電路采用模擬調光模式，在圖4 電路中，+12V 電壓經電阻R4 和電位器R3 分壓后輸出0～3V 電壓送至AL8843 第5 引腳（CTRL引腳）控制LED 燈的亮度和熄滅。調節電位器即可控制LED 燈流過的電流大小從而控制LED 燈的亮度。CTRL 電壓與亮度之間的關系如圖5 所示。當在CTRL 管腳上施加0.4V～2.5V的直流電壓，可以將輸出電流從IOUT_NOM的10%調整到100%，當CTRL 引腳高于2.5V時，LED 電流將被箝位到100% 的IOUT_NOM，如果CTRL 電壓低于閾值0.3V 時，輸出開關斷開，無電流輸出，LED 熄滅。注意：如前所述，標稱平均電流與Rset 的大小有關。

圖5

（3）續流二極管D1 的選擇

續流二極管的選擇也是非常重要的。為了獲得最大的效率和性能，續流二極管應該是一個具有低反向泄漏電流的快速低電容肖特基二極管。由于正向電壓較低，恢復時間縮短，它也比硅二極管提供了更好的效率。

重要的是要選擇額定電流峰值高于線圈電流峰值，連續額定電流高于最大輸出負載電流的器件。當工作在+85°C以上時，考慮二極管的反向泄漏電流非常重要。過多的漏電流會增加功率損耗。

由于硅二極管的反向恢復時間更長，正向電壓更高。如果使用硅二極管，應特別小心，要確保出現在SW 引腳上的總電壓，包括電源紋波，不會超過規定的最大值。

最終建議：如圖4電路所示D1選用SS54肖特基二極管。

（4）電感L1 的選擇

SW 引腳（7、8 引腳）連接的電感L1，是一個非常重要的外圍元器件。電感推薦值在33μH～ 100μH 之間，盡量選用較高電感量的電感，以減少由于開關延遲導致的輸出電流容限，減少紋波和提高效率。所選線圈的飽和電流應高于峰值輸出電流，連續額定電流應高于所需的平均輸出電流[1]。電感器應該安裝在盡可能靠近設備的地方，用低電阻連接到SW 引腳。電感值的選擇應使工作占空比和開關的開/關時間保持在電源電壓和負載電流范圍內的規定限制內。

這里L1 選用100μH 的電感，實踐證明效果是比較好的。

（5）電路的軟啟動

AL8843 的默認軟啟動時間只有0.1ms，圖4 中CTRL引腳到地添加了一個1μF 的外部電容C2，提供約1.5s 的軟啟動延遲。這是通過增加CTRL 電壓上升到開啟閾值的時間，以減緩控制電壓在滯后比較器輸入處的上升速率來實現的。附加軟啟動時間與CTRL 與GND 之間的電容有關，典型值為1.5ms/nF。

（6）LED 短路保護

如果LED 鏈被短接在一起（頂部LED 的陽極與底部LED 的陰極短路），AL8843 內部的開關還會繼續工作，通過AL8843 內部開關的電流仍將處于預設的電流。所以在AL8843 內部不會產生過多的熱量。然而，工作的占空比將發生顯著變化，關閉時間顯著增加，開關頻率也會降低，導致電感電流衰減更慢，如圖6 所示。這樣就不會有過多的熱量將產生在AL8843。

圖6 LED 短路保護

圖7 PCB 圖

（7）開路保護

如果LED 變成開路，AL8843 將停止振蕩；SET 引腳上升到VIN,SW 引腳下降到GND。

（8）過溫保護

AL8843 包括過溫保護(OTP)電路，如果它的結溫度過高，將關閉設備。這是為了防止設備過熱損壞。OTP 電路包括熱滯后，一旦結溫降低約+30°C，將導致設備重新開始正常運行。

■2.3 PCB 圖設計

設計的PCВ 圖如7 所示，在設計PCВ 圖時要注意以下幾點：

（1）SW 引腳（7,8 引腳）連接電感、續流二極管，連線應為最小長度以減少電磁干擾。

（2）EP 連接到地，用于芯片散熱，以防止芯片發熱；當封裝的裸焊盤被焊接到 PCВ 后，熱量能夠迅速地從封裝中散發出來，然后進入到 PCВ 中。之后，通過各 PCВ 層將熱量散發出去，進入到周圍的空氣中。裸焊盤式封裝一般可以傳導約 80% 的熱量，這些熱通過封裝底部進入到 PCВ。剩余 20% 的熱通過器件導線和封裝各個面散發出去。

（3）電源去耦電容C1 盡量靠近芯片，以減少寄生電感。去耦電容主要是去除高頻信號的干擾，同時芯片附近的電容還有蓄能的作用。

（4）電感下面不要覆銅，在畫PCВ 板時，電路中如果有大功率一體電感或是其他電感，而且有數字電路（也就是既有模擬又有數字信號，且數字和模擬都在同一塊板子上），這種狀況是不能敷銅的。敷銅后電感這個干擾源，產生的干擾信號會通過敷銅的地線把干擾傳輸到其他電路中。

（5）電源線盡量寬些，因為粗線電阻較小，電信號損耗較小。PCВ 線的粗細是根據該出需要走多少電流決定的，大電流用粗線。小電流用細線就可以了。本設計中電源輸入和電流輸出至LED 燈的電源導線為1mm 以上（含1mm）。

（6）符合基本的布線規則。如線距不能小于安全間距。