工程師如何選擇LED恒流源周邊器件 - 全文

電感選擇:
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在設計LED恒流源時為保持嚴格的滯環電流控制,電感必須足夠大,保證在HO,ON 期間,能向負載供應能量,避免負載電流顯著下降,導致平均電流跌到期望值以下.

首先,我們來看一下電感的影響,假設沒有輸出電容(COUT)的存在,這樣負載電流和電感電流完全一致,能更清楚地說明電感的影響.下圖給出了在輸入電壓的變化范圍內,電感值對頻率的影響.可以看出,輸入電壓對頻率的影響很大,電感值在輸入低電壓時對降低頻率有很大影響.(注:您的不一定是和參考圖完全一樣,我在此只是說明問題)
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上圖是不同電感值下的頻率響應.下圖說明了電感減小時,在輸入電壓的變化范圍內,負載電流的變化明顯增大.
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下圖給出了頻率根據不同的輸出電壓和不同的電感值的變化曲線.
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下圖, 說明了電感減小時,在輸出電壓的變化范圍內,負載電流的波動明顯增大.
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LED的驅動電路產生人耳聽得見的噪聲(audible noise,或者microphonic noise).通常白光LED驅動器都屬于開關電源器件(buck、boost 、charge pump等),其開關頻率都在1MHz左右,因此在驅動器的典型應用中是不會產生人耳聽得見的噪聲.但是當驅動器進行開關調節的時候,如果PWM信號的頻率正好落在200Hz到20kHz之間,白光LED驅動器周圍的電感和輸出電容就會產生人耳聽得見的噪聲.所以設計時要避免使用20kHz以下低頻段.
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我們都知道,一個低頻的開關信號作用于普通的繞線電感(wire winding coil),會使得電感中的線圈之間互相產生機械振動,該機械振動的頻率正好落在上述頻率,電感發出的噪音就能夠被人耳聽見.電感產生了一部分噪聲,另一部分來自輸出電容.?
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選擇電感感值大小在參考設計范圍左右最多的是您的經驗值,合適的選擇感值主要需要考慮的條件是線路工作在合適的頻率范圍、合適的開關頻率減少MOS開關次數,減少mos發熱量、避免與同PCB線路同頻干擾;選擇合適的電感內阻,內阻是電感發熱的主要因數,從而提高線路效率;選擇合適的電流值,有時體積和成本是制約主要因數,但是還是要大于峰值電流的2倍(通常在65%),就算在板級空間十分珍貴的情況下也要保證30%預留空間余量,這樣可以有效的減小內阻,減小發熱量;質量不好、繞制松散電感器件也會有噪聲;未屏蔽的電感在金屬外殼安裝時會發生線路震蕩頻率改變,從而產生噪聲,這時需要將電感屏蔽;另外,當被屏蔽干擾信號的波長正好與金屬機殼的某個尺寸接近的時候,金屬機殼很容易會變成一個大諧振腔,即:電磁波會在金屬機殼內來回反射,并會產生互相迭加.
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為了獲得最佳的效率,應選用鐵氧體磁芯電感器.應選擇一個能夠在不引起飽和的情況下處理必須的峰值電流的電感器,確保該電感銅線低的DCR(銅線電阻).以便減小I2R功耗.切記電感銅線絕緣層耐不了160度或長時間高溫溫度環境,SMT有時也會有影響,會使得電感感值發生嚴重變化,要仔細了解供應商產品溫度忍耐限度要求.

EMC電感選擇:
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EMC電感用在輸入和輸出過濾器可以用來減少傳導干擾,用于低于EMC標準的限制設計.所有的電感器都需要鐵粉磁心而非鐵氧體.在它飽和前,可以處理更大電流,需要依據負載選擇合適的電流值.
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制作濾波電感,選用何種磁心材料,除了必須注意防止磁心飽和問題外,還必須考慮到磁心的恒磁導特性.需要指出,有些設計人員往往只注意電感量的指標,選擇磁導率高的材料,以減少線圈的匝數,而對于電感額定電流較大時,電感量是否減少,減少到什么程度,會不會達到飽和,考慮較小.這是應該注意避免的.
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由于鐵粉心具有飽和磁通密度高,恒磁導特性好,價格便宜,而得到了廣泛應用.

輸出電容器件選擇:
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輸出可同時使用輸出電容以達到目標頻率和電流的精確控制.電容能在整個輸入電壓范圍內減小頻率,一個小的 4.7μF 的電容就能顯著減小頻率.電流的調整也能因為電容值的增加而得到改善.從下面圖片可以很容易看到,圖上存在一個拐點,再增加電容值,對操作頻率和輸出電流的調整影響不大.

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增加輸出電容(COUT),從本質上來說,是增加了輸出級所能儲存的能量,也就意味著能供應電流的時間加長了.因此通過減慢負載的di/dt 瞬變,頻率顯著減小.有了輸出電容(COUT)之后,電感的電流將不再和負載上看到的電流保持一致.電感電流仍將是完美的三角形的形狀,負載電流有相同的趨勢,只不過所有尖銳的拐角都變得圓滑了,所有的峰值明顯減小,如下圖所示.

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應用設計在輸出端上采用低ESR(等效串聯電阻)陶瓷電容器,以最大限度的減小輸出波紋.采用X5R或X7R型材料電介質,這是與其它電介質相比,這些材料能在較寬的電壓和溫度范圍內維持其容量不變.對于大多數高的電流設計,采用一個4.7至10uF輸出電容就足夠了.具有較低輸出電流的轉換器只需要采用一個1至2.2uF的輸出電容器.

輸入電容器的選擇:

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一般在驅動IC輸入設置一顆電容,主要是解決線路開關頻率對供電部分的EMI問題.有時大家會誤認為是電源濾波而設置,事實并非這樣.因其整流二極管廣泛使用,價格變得非常低廉而穩定,集成到IC內部沒有成本優勢,所以大多將整流濾波部分不予整體考慮.
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如果采用電解電容提供了附加的旁路或輸入電源阻抗很低,則采用一顆較小的價格低的Y5V電容器也會有很好的效果.一般恒流器件會有非常快的上升和下降時間的脈沖從輸入電源吸收電流.輸入電容器未了減小輸入端的合成電壓紋波,并強制該開關電流進入一個嚴密的本機環路,從而最大限度的減低EMI.輸入電容在開關頻率條件下必須具有低阻抗,以高效的完成這項工作,而且,它必須具有一個足夠的額定紋波電流.通常紋波電流不會大于負載電流的1/2倍.
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陶瓷電容器小尺寸和低阻抗(低的等效串聯電阻或ESR)特征而成為優選方案.低的ESR產生了非常低的電壓紋波,與數值相同的其它電容器類型相比,陶瓷電容器能夠處理更大的波紋電流.應選用X5R或X7R型介質陶瓷電容器.可以選用參考值多于1/3容值的電解電容器代替,但是體積和壽命等因數并不是很合適與LED匹配.鉭電容會因浪涌電流過大易出現故障,也不建議在此使用.

肖特基二極管選擇:
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通常開關轉換型LED恒流驅動IC在mos管關斷期間傳到電流,所選擇二極管反向耐壓要針對線路最高輸出電壓脈沖值來確定,要大于這個值.二極管的正向電流不必與開關電流限值相等.流經二極管的平均電流是If是開關占空比的一個函數,因此應選擇一個正向電流IF=I*(1-D)的二極管.通常二極管在功率開關斷開時傳到電流占空比通常小于50%,選擇電流值與驅動電流相等即可.如果需要采用PWM調節灰度,則需要考慮PWM低電平期間來自輸出的二極管泄漏(有氣在熱點上),這一點或許也很重要.
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升壓型轉換器中的輸出二極管在開關管關斷期間流過電流,二極管要承受反向電壓等于穩壓器輸出電壓.正常的工作電流等于負載電流,峰值電流等于電感峰值電流.
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Id(二極管電流)=Il(電感電流)=(1+X/2)*Iout(最大電流)/1-Dmax
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二極管消耗功率為:
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Pd=Iout(最大)*Vd
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保持較短的二極管引線長度并遵循正確的開關節點布局,以免振鈴過大和功耗增大.耐壓不是越高越好,是要合適,高耐壓肖特基二極管Vf值也會高些,功耗會大,價格也會高.相對耐壓大電流的型號Vf值會低些,成本也會稍有增加,沒有成本壓力可以考慮.
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經常可以使用的二極管可以是:
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IN5817??????1A????20V
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IN5819??????1A????40V
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CMSH1-60M?? 1A????60V
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CMSH1-100M??1A????100V
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BYV26A??????1.5A??200V
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BYV26B??????1.5A??400V
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