基于飞兆半导体FAN100的LED系统设计

摘要：随着高功率LED的出现，LED的使用寿命及电源转换效率成为设计LED照明系统时的主要考虑因素，基于飞兆半导体FAN100设计出高效率、高稳定性的LED照明系统，首先给出了硬件电路，接着分析了电路的性能，最后进行实验仿真。从仿真结果可以看出本系统在温度波动比较大的范围内比较稳定。
关键词：电源设计；LED；宽范围

O 引言
    所有发光二极管无论其灯光颜色、尺寸大小或功率有甚不同，只要驱动的电流恒定不变，它们都能充分发挥其性能。发光二极管生产商都会列明产品的规格，例如，数据表上会列出产品在指定正向电流(IF)而非正向电压(VF)驱动下的流明、光束波形及颜色。发光二极管的亮度随电流的大小而不同，且制造出来的发光二极管，其电压与电流曲线稍有差异，因而LED照明的亮度常随电源电压的变动而无法稳定。为维持亮度稳定一致，需要发光二极管恒流驱动器来实现。恒流驱动器可以使得发光二极管工作在固定电流模式，因而亮度稳定性高。恒流驱动器也让发光二极管长期工作在一定电流下，使其维持较长寿命。发光二极管照明优点是节能、安全，但由于恒定电流工作考虑，能耗亦相对增加，因此照明系统设计以低能耗为目标。前面提到恒流驱动器的压降在2 V以内，即是考虑低能耗的设计，若系统的电源端电压与串接发光二极管压降超过2 V以上，则需考虑以电压转换器来达到低能耗目标，但仍维持恒定电流工作模式。低能耗的电压转换器是以开关式方式工作，依据反馈电路控制开关周期，达到稳定输出电压。但为了维持发光二极管恒定电流工作状态，反馈电路是以输出电流来控制转换器开关周期。
    目前市场上电源输入系统为两类：一类前端为AC电源输入系统加上后端的电流控制模块，此类产品包括冷冻柜灯条、室内灯具、路灯、台灯、MRl6、ARlll等。另一类为交流电源直接输入系统整合AC／DC转换器和恒定电流线路，此类产品包括E27和GUl0等灯泡型LED灯、PAR灯、T5和T8LED灯管。
    本文采用恒流源驱动二极管发光，发光二极管电流减小时，恒流源电路采集到变化(减小)的电流值，进行放大后，传输给控制电路，控制电路对采样信号进行反相处理，输出脉冲宽度增大，宽度增大的输出脉冲驱动功率转换级的功率管，使得次级输出电压增加，这样，串联LED两端的电压也增大，于是，流过发光二极管的电流也增大，这就维持了发光二极管的电流恒定，同样，若由于某种原因，使发光二极管的电流增大时，其控制过程相反，采用恒流源驱动的方法，可克服大功率发光二极管管压降的不一致和因温度特性较差，管子的电流和发光效率变化的缺点。

1 硬件电路
1．1 FANl00简介
    FANl00是一个初级端调节PWM控制器，以满足高亮度(high brightness，HB)发光二极管(LED)市场的关键性需求。采用内置专有TRUECURRENTTM技术和严格的恒压(constant voltage，CV)范围，实现最精确的恒流(constant current，CC)控制，而无需使用次级端反馈电路。通过在较宽的电压范围内精确恒流，同样的电路就可以用于数目不同的成串LED，从而提高设计灵活性、缩短上市时间，并延长HBLED的使用寿命。由于这些PSR PWM控制器的高集成度，因此可以节省线路板空间，以配合灯泡外形尺寸不断缩小的发展趋势。
    FANl00具有专有的节能模式，提供关断时间调制功能，以线性方式减小轻负载状况下的PWM频率。另外，它们还通过减少次级端反馈电路和组件，最大限度地减小功耗(无负载下待机功耗<O．15 W)。所有这些节能特性都是使电源符合严苛的能效法规所不可或缺的。此外，这些PSRPWM控制器更提供了稳健的保护功能如欠压锁定(UV-LO)、过压保护(OVP)和过热保护(OTP)。
1．2 整体电路
    整体电路如图1所示。

    FANl00说明：1脚为模拟输入，电流检测，连接到电流检测电阻器的峰值电流模式控制恒压模式，对目前的检测信号，也提供了输出电流调节的CC模式。2、6脚为接地端子。3脚为模拟输出。4脚为模拟输出，电压补偿。5脚为模拟输入，电压端子。7脚为电压参考。8脚为驱动功率器输出。
    工作过程：跳频PWM工作模式，对于EMI问题方法使用了最小化的滤波元件。VDD端子(7脚)配备了过电压保护和与欠压锁定，挡脉冲的脉冲电流限制和CC控制确保过流保护。栅极输出被钳位在15 V至保护外部MOSFET的过电压损害，内部过温保护功能关闭与控制器闭锁时过热。启动电流为10μA，低启动电流容许具有高电阻和低启动电阻功率供应控制器的启动电源。一个1．5 MΩ，0．25 W作为启动电阻，10μF／25 V是一个交流至DC具有宽输入范围电源适配器(100VAC到240VAC)。FANl00内置提供了更好的温度补偿在不同环境恒定的电压调节温度。这种内部补偿电流是正温度系数(PTC)的电流，可补偿正向压降二极管的温度变化，这种变化的原因输出电压温度的升高。
    在感觉到整个电流检测电阻电压为电流模式控制和脉冲用于由脉冲电流限制。在斜率补偿内置改善稳定和防止次谐波振荡由于峰值电流模式控制。该FANl00有同步，积极，倾斜的斜坡内置在每个开关周期。
    FANl00输出级的BiCMOS工艺是一种快速门驱动程序。尽量减少散热，提高效率，增强可靠性。输出驱动器是由内部钳位15 V的齐纳二极管，以保护功率MOSFET晶体管对不想要的过电压门信号。
    过电压保护，防止造成的损害超过过电压的条件。当电压超过28 V时，由于异常条件下，PWM脉冲的低于UVLO电压下降，禁用，直到在低于28 V，然后重新启动。过电压条件通常由于开放的反馈循环。
1．3 实验仿真
    实验仿真电压输入、输出关系如图2所示，纵轴为输出，横轴为温度变化，从图2可以看出，在输入电压15 V～17 V之间，可以看出当温度升高的时候，电压输出在下降，因此电路具有较宽的温度波动范围。

    图3为电流输入和温度关系，当电路输入电流在75～95之间，输出电流波动比较小，在这样的情况下，才可以延长使用LED的使用寿命。

2 总结
    本系统可延长LED的使用寿命，在温度波动比较大的范围内，保持输出电压以及电流的稳定性。这样可以从电池到LED的DC-DC转换器既能逐步增加电源电压到标准的LED的正向电压，又能逐步降低电源电压到该正向电压，并能保持LED的电流不变(用于恒定亮度)。同时整体输入电流更高时，就需要更大的电感，还需要纹波更小的电流以便将峰值开关电流限制在IC的最大额定电流以下。