基于AL8843 設(shè)計制作LED 燈恒流源電路

梁超，謝皓

（江西信息應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)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(guān)鍵是設(shè)計恒流驅(qū)動電路，要求可靠性高、效率高、能穩(wěn)定調(diào)光。本文以AL8843 為核心芯片設(shè)計恒流驅(qū)動電路，在電路設(shè)計、器件選擇、PCВ 圖設(shè)計上進(jìn)行了充分驗證和優(yōu)化，經(jīng)測試后，提供了一款性能指標(biāo)方面完全達(dá)標(biāo)的方案。供業(yè)界同行參考。

1 白光LED 的工作特性

白光LED 的核心為PN 結(jié)，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(jīng)LED 的電流出現(xiàn)改變，LED 發(fā)光強(qiáng)度也會改變。所以，為了保證LED 發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)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(jié)的溫度比較高，導(dǎo)致器件熱應(yīng)力分布不均勻，使芯片發(fā)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(jié)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(tǒng)的設(shè)計

電路系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)供電電路和驅(qū)動白光LED 的恒流源電路兩部分電路。圖2 為系統(tǒng)基本原理框圖。第1部分為開關(guān)電源電路，主要是將220V 交流電通過開關(guān)電源電路轉(zhuǎn)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(shè)計的LED 燈恒流源電路，通過此電路可有效控制LED 燈的驅(qū)動電流，從而控制LED 燈的亮度，要求控制精度高，穩(wěn)定性、可靠性高。這是本文論述的重點。

圖2 系統(tǒng)基本原理框圖

■ 2.1 AL8843 芯片特性

AL8843 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由內(nèi)部穩(wěn)壓電源（產(chǎn)生4.5V 電壓）、參考電壓產(chǎn)生電路、PWM 信號發(fā)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(dá)到的最大電流）、滯后比較器、內(nèi)部功率MOSFET 開關(guān)管、熱保護(hù)電路等組成。AL8843 主要用于設(shè)計多個串聯(lián)連接的LED 恒流驅(qū)動電路。直流輸入電壓在4.5V和40V 之間范圍內(nèi)，能提供可調(diào)輸出恒定電流?？烧{(diào)范圍最高可達(dá)0～3A。根據(jù)電源電壓和外部元件，可以提供高達(dá)60W 的輸出功率。

圖3 AL8843 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dá)3A；（3）內(nèi)部40V NDMOS 開關(guān)管；（4）輸出電流精度為4%；（5）單引腳的開/關(guān)和亮度控制，由直流電壓或脈寬調(diào)制信號控制；（6）模擬調(diào)光范圍：10%～100%；（7）軟啟動；（8）效率高(高達(dá)97%)；（9）LED 短路保護(hù)；（10）固有開路LED 保護(hù)；（11）超溫保護(hù)(OTP)；（12）高達(dá)1MHz 的開關(guān)頻率。

■2.2 照度可調(diào)的白光LED 燈恒流源電路設(shè)計

根據(jù)AL8843 技術(shù)文檔設(shè)計照度可調(diào)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(diào)光電位器電路和電源電路組成。系統(tǒng)供電通過12V 電源適配器供電。

圖4 系統(tǒng)電路原理圖（恒流源部分）

（1）標(biāo)稱平均電流的設(shè)定

恒流源標(biāo)稱平均電流的設(shè)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(dāng)正常輸入電壓加到+VIN時，AL8843 內(nèi)部開關(guān)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(chǎn)生一個與電流成比例的電壓。AL8843 的內(nèi)部電路通過RSET 感知此電壓，并將其送至內(nèi)部比較器的輸入端。當(dāng)該電壓達(dá)到內(nèi)部設(shè)置的上閾值時，內(nèi)部開關(guān)關(guān)閉。電感電流繼續(xù)流經(jīng)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(chǎn)生一個下降的電壓，這被AL8843 感知到并送至內(nèi)部比較器的輸入端。當(dāng)該電壓降至內(nèi)部設(shè)置得較低閾值時，內(nèi)部開關(guān)再次打開。這個開關(guān)在開和關(guān)之間不斷循環(huán)，持續(xù)提供由檢測電阻RSET 設(shè)置的標(biāo)稱平均LED 電流。標(biāo)稱平均電流IOUT NOM 與電流檢測電阻之間的關(guān)系如下式：

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

表1

圖4 中電流檢測電阻R1、R2 并聯(lián)時，Rset 為0.05Ω，則設(shè)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(shè)定的輸出電流最大值為1A。

LED 電流也可以數(shù)字調(diào)節(jié)，通過將一個低頻脈寬調(diào)制(PWM)邏輯信號應(yīng)用到CTRL 引腳來打開和關(guān)閉設(shè)備。這將產(chǎn)生一個與控制信號占空比成比例的平均輸出電流。為了達(dá)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(yōu)于1%。低占空比調(diào)光的精度受PWM 頻率和AL8843 開關(guān)頻率的影響。為了獲得最佳的精度/分辨率，開關(guān)頻率應(yīng)該增加而PWM 頻率應(yīng)該減少。CTRL 引腳被設(shè)計成由3.3V 和5V 邏輯電平直接從邏輯輸出驅(qū)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(diào)光模式，在圖4 電路中，+12V 電壓經(jīng)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(diào)節(jié)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(guān)系如圖5 所示。當(dāng)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(diào)整到100%，當(dāng)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(guān)斷開，無電流輸出，LED 熄滅。注意：如前所述，標(biāo)稱平均電流與Rset 的大小有關(guān)。

圖5

（3）續(xù)流二極管D1 的選擇

續(xù)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(xù)流二極管應(yīng)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(fù)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(xù)額定電流高于最大輸出負(fù)載電流的器件。當(dāng)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(fù)時間更長，正向電壓更高。如果使用硅二極管，應(yīng)特別小心，要確保出現(xiàn)在SW 引腳上的總電壓，包括電源紋波，不會超過規(guī)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(guān)延遲導(dǎo)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(yīng)高于峰值輸出電流，連續(xù)額定電流應(yīng)高于所需的平均輸出電流[1]。電感器應(yīng)該安裝在盡可能靠近設(shè)備的地方，用低電阻連接到SW 引腳。電感值的選擇應(yīng)使工作占空比和開關(guān)的開/關(guān)時間保持在電源電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)的規(guī)定限制內(nèi)。

這里L(fēng)1 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(rèn)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(xiàn)的。附加軟啟動時間與CTRL 與GND 之間的電容有關(guān)，典型值為1.5ms/nF。

（6）LED 短路保護(hù)

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(nèi)部的開關(guān)還會繼續(xù)工作，通過AL8843 內(nèi)部開關(guān)的電流仍將處于預(yù)設(shè)的電流。所以在AL8843 內(nèi)部不會產(chǎn)生過多的熱量。然而，工作的占空比將發(fā)生顯著變化，關(guān)閉時間顯著增加，開關(guān)頻率也會降低，導(dǎo)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(chǎn)生在AL8843。

圖6 LED 短路保護(hù)

圖7 PCB 圖

（7）開路保護(hù)

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(hù)

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

■2.3 PCB 圖設(shè)計

設(shè)計的PCВ 圖如7 所示，在設(shè)計PCВ 圖時要注意以下幾點：

（1）SW 引腳（7,8 引腳）連接電感、續(xù)流二極管，連線應(yīng)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(fā)熱；當(dāng)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(fā)出來，然后進(jìn)入到 PCВ 中。之后，通過各 PCВ 層將熱量散發(fā)出去，進(jìn)入到周圍的空氣中。裸焊盤式封裝一般可以傳導(dǎo)約 80% 的熱量，這些熱通過封裝底部進(jìn)入到 PCВ。剩余 20% 的熱通過器件導(dǎo)線和封裝各個面散發(fā)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(shù)字電路（也就是既有模擬又有數(shù)字信號，且數(shù)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(chǎn)生的干擾信號會通過敷銅的地線把干擾傳輸?shù)狡渌娐分小?/p>

（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(xì)是根據(jù)該出需要走多少電流決定的，大電流用粗線。小電流用細(xì)線就可以了。本設(shè)計中電源輸入和電流輸出至LED 燈的電源導(dǎo)線為1mm 以上（含1mm）。

（6）符合基本的布線規(guī)則。如線距不能小于安全間距。

3 調(diào)試結(jié)果

根據(jù)以上電路圖和PCВ 圖制作出實際的恒流源電路，并進(jìn)行測試，測試條件為輸入電源電壓為12V 直流電源，電流檢測電阻為0.1Ω（R1 焊接，R2 不焊接），負(fù)載為并聯(lián)的三組LED 鏈（一個LED 鏈由3 個LED 串聯(lián)而成），測試結(jié)果如下：

（1）電流調(diào)節(jié)和調(diào)光

通過調(diào)光電位器調(diào)整輸出電流從而控制發(fā)光強(qiáng)度，所得測試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 控制電壓與LED 電流之間關(guān)系

①輸出電流穩(wěn)定性好，調(diào)至任一電流值時，電流穩(wěn)定不變具有很好的恒流特性。

②當(dāng)調(diào)整電位器使CTRL 引腳低于0.4V 時流經(jīng)LED 燈的電流為0，達(dá)到關(guān)燈效果。

通過調(diào)光電位器能控制輸出電流由最小到最大，亮度從完全熄滅到最亮連續(xù)可調(diào)。

③最大輸出電流為1A 符合設(shè)計預(yù)期要求。

（2）紋波測試

LED 燈板供電電壓紋波測試結(jié)果如圖9 所示，紋波小于5%。

圖9 輸出電壓紋波

（3）電源效率達(dá)95%

臺燈供電電壓為 12V 時，3 個LED 串聯(lián)時輸出兩端電壓為9.9V，實測電源效率（LED 燈板消耗功率與供電電源輸出功率之比）為95%。

（4）開路保護(hù)

當(dāng)斷開外接LED（相當(dāng)于LED 開路）時，輸出兩端電壓為0V，恒流源停止工作，開路保護(hù)能及時響應(yīng)。

（5）短路保護(hù)

外接LED 兩端進(jìn)行短路，輸出電流不變且AL8843 芯片不會升溫。

4 結(jié)束語

使用恒流源驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、精準(zhǔn)的控制和調(diào)節(jié)白光LED 發(fā)光強(qiáng)度。本文所設(shè)計白光LED 燈恒流源電路，通過實驗調(diào)試，能夠很好地輸出電流預(yù)定設(shè)置值，具有輸出電流穩(wěn)定、電流連續(xù)可調(diào)、效率高、紋波小、開路保護(hù)、短路保護(hù)等特點，完全能滿足LED 驅(qū)動的要求。