設(shè)計分享丨為2并5串LED燈提供升降壓驅(qū)動方案

本參考設(shè)計以MAX16819為主控制器，為5S2P（2并5串） AR111 LED燈提供buck-boost驅(qū)動方案。

圖1為電路原理圖，圖2給出了設(shè)計布局圖。如下為電氣輸入要求、輸出特性：

VIN：12VAC ±10%

PWM輸入：不適用

VLED配置：5S2P，每只LED電壓為3VDC至3.8VDC (每串19VDC，最大值)，每串電流500m

以下詳細(xì)討論了該參考設(shè)計，分析其主電路模塊和設(shè)計規(guī)范。

圖1. LED驅(qū)動器原理圖

圖2. LED驅(qū)動器布局

01設(shè)計分析

AR111 LED燈參考設(shè)計可驅(qū)動總共10只LED—2串并聯(lián)、每串5只LED。輸入電壓為12VAC、容差±10%。肖特基二極管D1至D4構(gòu)成全波整流電路，電容C1至C8用于電壓濾波。根據(jù)對LED閃爍的要求，可以去掉一些濾波電容以降低成本。這些電容中包含一個鉭電容，具有較好的溫度特性。

因?yàn)長ED按照5S2P排列，不可能達(dá)到完全匹配的電流。假設(shè)LED燈具有良好的匹配度，使電流差異降至最小?？刂泼看甃ED的數(shù)量及混合架構(gòu)的燈管數(shù)量，有助于減輕電流匹配度的影響。

MAX16819設(shè)計用作buck調(diào)節(jié)器，也可以設(shè)置成buck-boost模式。但是，這種配置下會犧牲一定的電流精度。

02電感選擇

按照下式計算LED電流：

其中，IL是電感電流。上式表明LED電流等于輸入、輸出電壓修正后的電感電流。VIN的波動(120Hz紋波)將導(dǎo)致LED電流隨之波動。

利用下式計算電感電流：

本設(shè)計中，平均LED電流為1A，平均VIN為13V，平均VLED為19V。因此，所要求的電感電流為：

可利用80mΩ檢流電阻調(diào)整電感電流。輸入電壓較低(假設(shè)10V左右)時，LED電流跌落到大約850mA；輸入電壓達(dá)到16V時，LED電流可以達(dá)到1.12A左右。

電感L1工作在250kHz開關(guān)頻率，平均電流為2.46A，峰值電流為2.83A?？蛇x擇Coilcraft?的電感MSS1260-393ML，電感值為39μH，額定連續(xù)電流為2.6A (40°C溫升)，飽和電流為3.08A (電感值下降10%)。

03過壓保護(hù)

負(fù)載開路時，R7、R8和Q2可提供過壓(OV)保護(hù)。如果沒有過壓保護(hù)電路，處于開路狀態(tài)的LED將導(dǎo)致輸出電壓失控，損壞器件。過壓保護(hù)門限約為30V。

04熱管理

R2、R4、R5、R6和U2提供折返式熱管理。R4為100kΩ負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(常數(shù)B ＝ 4250)。當(dāng)溫度達(dá)到50攝氏度時，電阻R4的阻值降低，使U2控制引腳的電壓提高，導(dǎo)致部分電流流過R6和R2。這些電流可降低輸入檢流電阻R1的電壓，從而降低電感和LED的電流。隨著溫度的升高，R2電壓進(jìn)一步增大，使LED電流進(jìn)一步降低。最后，隨著LED電流的降低，使溫度恢復(fù)到正常范圍，達(dá)到系統(tǒng)平衡。折返式熱管理架構(gòu)允許LED燈用于空氣流通條件有限的場合，無需考慮過熱問題。熱管理可能使燈管亮度受到輕微影響，但仍可保持能夠接受的照明亮度。

Q1 (STN3NF06L)為60V、0.07Ω、邏輯電平控制的MOSFET，采用SOT223封裝。這款MOSFET具有很小的柵極總電荷(Qg = 9nC，最大值)，能夠使開關(guān)損耗保持在最小。器件損耗近似為：400mW (傳導(dǎo)損耗)和500mW (開關(guān)損耗)，共計900mW。封裝熱阻為38°C/W，將導(dǎo)致管芯溫度比PCB溫度高出34°C。還需考慮可能的誤差因素，以保留更多裕量。

05PCB布局

PCB設(shè)計中，所有器件都放置在電路板頂層，底層保留用作地。實(shí)際應(yīng)用中，電路安裝在鋁結(jié)構(gòu)上，能夠提供較好的接地和散熱性能。頂層設(shè)計采用較大的覆銅面積，以改善與鋁結(jié)構(gòu)之間的導(dǎo)熱能力。