基于開關電流芯片MC331647的LED驅動器設計 - 全文

　　1 引言

　　大功率白光LED是新一代半導體光源，屬于非線性負載。由于無法大范圍精確地描述其負載特性，因此通過電壓型驅動器無法有效地控制LED的發光特性。當負載電壓有微小波動就可引起電流很大的變化，從而使亮度發生較大變化。如果負載電壓波動過大，則可能將LED燒壞。LED負載電流與LED的發光亮度、色溫、效率、光通量以及使用壽命緊密相關。因此，超高亮度LED通常都采用恒流源驅動。雖然大功率白光LED的發效率比較高，但總體效率不僅取決于LED本身，也與驅動電路有關，因此設計電流型開關轉換器是滿足LED應用的高功率及高效率要求的理想驅動方案。

　　2 LED驅動器的設計思想

　　由于該驅動器主要用于汽車照明，其電源主要是蓄電池，因此需要一個DC/DC轉換器來準確調節LED的恒定電流，進而獲得LED光強的一致性和顏色的完整性。車載系統的LED照明工作方式變化范圍較大，故其驅動器也應適于不同的應用需要。汽車電池的標準電壓為12 V，電池電壓在電量耗光時可能降至8 V，而發動機運行時交流發電機則可能將其電壓充至14 V。由于汽車電池電壓的變化范圍很寬，所要求的輸出電壓就可能高于或低于輸入電壓，故LED驅動器需要采用升一降壓的電路結構來適應保持LED的恒流要求。

　　考慮LED驅動器作為電流控制系統的本質特點，選擇通用開關電源芯片MC33167為核心器件，它采用7.5～40 V低壓直流供電，芯片內部開關管通過電流最大可達5 A，并且通過配置合適的外圍電路就可實現升-降壓功能，因此該芯片完全可做為汽車用LED驅動器的核心芯片。

　　3 開關電源核心芯片的分析研究

　　LED特種照明驅動器的開關電源芯片采用MC33167，該芯片可提供多種功能，其內部結構如圖1所示。如超過5 A的輸出開關電流，無需外接電阻即可提供5 V的輸出，內部2%精度的基準源，可提供欠電壓保護和內部熱保護，各種保護模式可使電路工作在安全狀態下。在保護模式可將電源電流降至36μA，大大降低芯片的功耗。內置72 kHz固定頻率的振蕩器，可使開關電源輸出較高頻率的PWM，因此在芯片外部使用較小的電感電容就可實現濾波作用，大大簡化了外部元件。

　　芯片5腳電位U5與輸出電位U2對應關系如圖2所示。芯片1腳電位U1變化時（U1與標準電壓5.05 V不相等時），U5則相應成比例變化，U5與晶振產生的鋸齒波經過PWM運算放大器的比較，輸出高電平或低電平，然后經過內部邏輯電路運算控制開關管的導通或關斷，從而控制U2。因此隨著U5的變化，輸出開關管的開關時間也就不同，即U2的占當比發生變化，從而控制輸出電壓的大小。當U1降低時，U5升高，同時控制U2的占空比升高，平均值增加，所以輸入U1與輸出U2成反比變化。因此在芯片外部增加負反饋電路就可以形成穩定的電源。

　　4 LED驅動器電路開發

　　4.1 從電壓源到電流源的結構設計

　　電壓源電路中，其輸出電壓必然為U1=5 V，即電源芯片內部的基準電壓，否則電路無法穩定。經過實際電路的測試，試驗結果顯示電路工作正常，可以獲得穩定的輸出電壓Uo=5 V。由電壓源可進一步改變芯片外部的反饋形式，使之成為電流反饋，從而設計電流源。

　　電流源電路如圖3所示，通過外部疊加電壓Uc來控制輸出電流。由疊加原理可知：

　　IL為負載電流，若取R4=R5，R6=R7，Uref=5 V，單片機輸出的控制電壓Uc為0～5 V，偏置電壓Up為5 V。當Uc=0時，IL=0;當Uc=5 V時，IL=1 A，采樣電阻Rc=0.25 Ω，可得：IL=0.2Uc。因此通過調整控制Uc的大小，可以線性控制輸出電流的值。

　　4.2 LED驅動器的閉環穩定性分析

　　由上述可知驅動器控制系統各部分的傳遞函數，當PWM輸出接LC濾波器時，可以得到其總體控制結構如圖4所示。

　　綜合考慮LED驅動器的用途，在設計時控制系統首要考慮系統穩定性和控制精度，同時驅動器主要用于汽車，外界干擾比較大，而且調光速度不會很快，因此系統帶寬不需要很大。取濾波電感200μH，電容20μF，此時濾波器諧振頻率ωn=15.8 krad·s-1，驅動器開關頻率ω=452 krad·s-1，所以輸出紋波衰減約818倍，完全滿足濾波要求;實測電感電阻及電源芯片內阻之和Rin=0.1Ω，負載電阻10Ω，阻尼系數ξ=0.4 73，此處選擇較小的ξ也有利于濾除紋波;電流采樣電阻0.1 Ω，滯后校正電路中R2=100 Ω，R3=10 kΩ，C3=1μF，兩個轉折頻率ω1=100 rad ·s-1，ω2=10 krad·s-1，因此有效地降低系統高頻增益，并且消除了ξ對系統穩定性的影響;同時驅動器PI 控制器中Rf=2 000Ω，Cf=1μF，其零點轉折頻率ω0=500 rad·s-1，處于滯后校正極點轉折頻率ω1=100 rad·s-1與系統剪切頻率ωc=1150 rad·s-1之間，因此使整個系統幅頻特性以-20 dB/dec穿過0 dB線。提高了系統的穩定性。

　　濾波器內阻Rin=0.1 Ω時，負載電阻R=10 Ω，L=190μH，C=20μF時系統開環波特圖如圖5所示，其中圖5a為系統不帶滯后校正環節時的波特圖，圖5b為滯后校正后的波特圖。由圖可知，經過滯后校正系統變穩定，且相角裕度比較大。

　　4.3 LED驅動器電路設計

　　驅動電流源電路以開關電源芯片MC33167為核心，其工作原理圖如圖6所示。

　　首先考慮電壓源，通過電壓源的實驗電路充分了解電源的工作原理。然后設計得出電壓源，通過電壓源的實驗電路充分了解電源的工作原理。然后設計外部電流反饋環及外部電流控制電路。由于單片機的輸出電壓范圍為0～5 V，因此控制電路還應包括控制電壓與單片機輸出電壓的匹配電路。驅動器智能控制模塊電路以單片機PIC18F258為核心，它采用16位高性能RISC CPU，具有1536字節RAM，32 k FLASH，片內含有A/D，EEPROM存儲器，具有PWM輸出功能，并集成了硬件實現的USART和CAN串行接口。單片機控制模塊電路其外圍配置有電源、復位、晶振，以及基于PWM信號的電壓輸出、485-Can通信接口收發器等電路。

　　4.4 測試結果分析

　　采樣電阻為0.25Ω，當改變控制電壓時，輸出電流應該相應地線性變化，即，IL=0.2Uc。通過實驗測得的控制電壓與輸出電流的對應數據如圖7所示。實際對應關系為：IL=0.167Uc+0.043，由實驗結果可知實際的控制電壓與輸出電流對應關系的趨勢基本相同。考慮到電路中實際電路參數以及偏差電壓的誤差，因此該結果完全正常。