LED实际应用设计——HV9910(pwm波)

LED实际应用设计(四)--HV9910应用 在设计高压直驱线路时,有多种IC可以选用。 今天先从HV9910说起,这款IC有人说好,也有人说不好用。目前市场占有量较大,有着很好的使用范围,但有些朋友将它说成垃圾!那么问到底出在哪里,从我司销售的客户反应总结出下面的观点: HV9910 是一款很据代表性的IC,每款IC都会有它的不足之处,当然这颗也不例外,作为设计人员就是要利用它好的一面,解决我们实际应用中的问题 线路简单简洁是这颗IC最大的优点,市电直接驱动效率高,下面是这个IC的工作过程图: 上电:红色箭头所示,高压直流→LED→L1→Q1→RCS 在这个过程中损耗会有L1的等效电阻+MOS管的结电阻+R电流检测电阻损耗。L1上电电流不能发生突变,会给CS检测电流时间,也为下一过程续流提供条件。上电过程当中MOS 管选择最为关键,建议选用美国国际整流器公司IRF840,不良的MOS管将会造成LED瞬间全部损坏。L1电流量与感值一定要符合线路基本需要,小电流可以参考规格书选用,大电流适当增加感值,电流量选取实际LED电流3倍以上。RCS 值反馈电压决定负载实际电流大小,阻值按供电电压结合LED电流需要适当调整选取,也是负载LED电流调节电阻。 顺便提一句,IRF840 各大公司都有生产,国内企业也有裸片封装,型号标注、封装及后缀完全相同,建议使用IR公司产品。 当CS反馈电压达到合适的值时,IC会关闭MOS管,这时放电开始:蓝色线段是LED放电电流方向L1、Co的等效电阻和D1的正向压降是影响效率的关键。D1肖特基二极管选取正向电压小,频率要选择实际工作频率3倍以上,最大电流要大于LED实际电流的2倍以上,耐压要大于供电电压峰值的1.5倍以上,推荐选用MUR160。Co电容可以改善负载电流稳定度,容量在4.7-33uF中间选择。 不足的地方就是这颗IC没有相应的保护线路,过压、过流不能及时的得到有效的保护,放电过程不在IC监控下工作,容易造成误动作。 下面是分析结果: 1.过压或MOS管选取不当会容易造成LED永久损坏:电流控制是靠CS反馈 是唯一的条件,过高的电压在没有及时反馈的情况下,MOS管会被击穿,LED 过流而损坏。那需要解决的办法是,在设计这颗IC时需要前端设计限压线路,或使用在不可能有超线路极限高压的情况下是安全的。 2.不适合应用于供电电压波动太大的场合:这个IC和这些类型的IC,在MOS 管关闭时,放电电流不在IC监控下,什么时候电流减低到什么情况,MOS管开启时间是IC内部定时器固定开启的。器件都是按负载选取的,变动的供电电压会影响驱动电流,但是不会影响MOS管开关时间,假设正当CS接到需要关闭参考值,正好去关闭MOS时,供电电压突然从100V升高到300V,会大电流瞬间损坏LED。这个情况是有的,在设计时要尽量避免使用在供电电压波动太大的场合。 3.PWM适合应用到开关控制场合,因其高速灰度控制,关断MOS过后还会有电感和电容续流过程,不能真实再现灰度等级。应用到需要开关控制和色温混合线路设计会比较体现这款IC的优点。 4.器件选择灵活性不高,无论哪家公司这类IC都不可以做到太大功率驱动。综合上述原因,HV9910设计在供电电压相对稳定,有限压保障,负载不大于8W LED条件下是比较合理的。小功率LED与太阳能光电池结合的路灯产品;3W 以下的LED射灯,多颗白光LED色温矫正的洗墙灯,要求灰度不高的全彩射灯等等。 评语: 优缺点和其它芯片一样都有,重量级的市场份额,里程碑的设计,再加上你的设计智慧,在此款IC基础上设计出来的IC和产品会越来越多。 HV9910B是HV9910升级改进版本,工艺性能上有所改进,可以直接替换使用,以后将HV9910B供货为主. 驱动条件 HV9910 需要1mA 的启动电流.此电流由HV9910 的内部产生,无需象其它的电路中需加一个大的启动电阻. 此外, 在HV9910的应用中,它能用内部的线性电源连续的向内部的所有线路提供7.5V的电压.IC是外置MOS本身功耗并不高. 设定输出电流 选择降压型设计时, LED中的平均电流作为CS脚检测峰值电压会有一个好 的表现.然而,运用这种电流采样方法,有一个相关连的误差需要被计算进去.此误差的提出是因为电感中的平均电流和峰值电流是不同的. 例如电感纹波电流的峰峰值是150mA, 要得到500mA的LED电流, 该采样电阻应为: 250mV/(500mA+ 0.5*150mA) = 0.43Ω. 调光 有两种方式可以实现调光, 取决不同的应用, 可以单独调节也可组合调节. LED 的输出电流能被控制, 也能被线性调节改变, 或通过控制电流的开关来维持电流的不变. 第二种调光方式(叫PWM 调光)通过改变输出电流的占空比来控制LED的亮度. 线性调光通过调节LD pin脚电压从0到250mV而实现,该控制电压优先于内部CS pin设定值250mV , 从而可输出电流实现编程. 例如, 在VDD 和地之间接一个分压器,设定CS pin的控制电压. 当分压器设定的控制电压超过250mV将不会改变输出电流. 如希望更大的输出电流, 可以选择一个更小的采样电阻. PWM 调光通过外部PWM信号加在PWM_D pin 端而实现.该PWM 信号可由微控制器或由脉冲发生器按希望的LED的亮度以一定的占空比来实现. 在此PWM 方式下, 以该信号的有效和失效转换来调节LED的电流. 在此模式,LED 的电流处在这两种状态之一: 零或由采样电阻设定的正常电流.它不可能用这个方法去达到比HV9910用采样电阻设定的水平更高的平均亮度. HV9910 用这种PWM控制方法,这灯的输出只能在0到100%之间调整. 此PWM调光方法的精度仅仅取决于GATE的最小脉宽的限制, 即此频率的占空比的百分比. 建议设计200-500Hz之间,原厂规格书是说可以很高,但是我建议在这个范围.如果是外控PWM市电直驱设计时要注意信号隔离,光耦和变压器都可以,IC没有提供隔离供电部分,在此向超科公司提出建议,希望在今后设计类似IC一定要考虑这个问题! 工作频率设定 振荡器的工作频率能被用一个外部电阻ROSC在25kHz 到300kHz之间设定: FOSC = 25000/(ROSC [kΩ] + 22) [kHz] 功率因数校正 当LED 驱动器的输入功率不超过25W时, 为了通过标准EN61000-3-2 Class C 的AC谐波的限制, 如HV9910 的应用线路图, 可以加一个简单的被动功率因数校正电路. 这个典型的应用电路线图表示怎样加这个线路而不影响电路的其它部分. 一个由3个二极管和2个电容器的简单电路被加在ac整流输入的后面去改善输入电流的谐波失真和达到功率因数大于0.85. 电感设计 提及典型的应用电路,可以从电感中计算得到希望的LED 波纹电流的峰峰值. 但在典型的应用,这样的波纹电流被选取为正常的LED电流的30%. 在这个例子中, 正常电流ILED 是350mA.下一步是得出LED灯串上的总电压降. 例如, 当灯串由10高亮度的LED组成且每个二极管在它的额定电流时的正向压降为3.0V; 则LED 串的总电压VLEDS 是30V. 可以知道正常的整流的输入电压=120V*1.41=169V 由此可以决定开关的占空比: D=Vleds/Vin=0.117 然后,给出开关频率,在此例中Fosc=50KHz,这样计算功率管MOSFET的导通时间: Ton=D/Fosc=3.5us 有这些必须的数值,可以计算出电感值: L=(Vin-Vleds)*Ton/(0.3*Iled)=4.6mH 降压型(BUCK)拓扑设计 当需要的LED灯串接电压比供电电压低时,需要选用降压型拓扑.上面的介绍都是适用这些设计要求的说明.然而设计者必须满足输入电压维持在LED灯串电压2倍一样为合适.这个限制是因为HV9910工作在降压型拓扑时占空比大于0.5时电流输出稳定,不稳定的显示在输出电流它本身在开关谐波影响下会自激震荡. HV9910在使用工程当中经常会遇到的问题! 问:MOS管会损坏和LED烧毁等情况? 答:设计条件在供电电压相对稳定、有限压保障,负载不大于8W LED条件下是比较合理的.供电电压波动会顺坏线路器件. 问:MOS和肖特基二极管发热严重? 答:热量肯定是有的.电流值、耐压不是越高越好,合适即可.最重要的也是最主要的 热源是二极管的Vf值和mos的导通结电阻,这个值是我们选择器件的首要指标. 问:发现LED会有闪烁现象? 答:在降压型设计是供电电压要高于LED正向电压总和1倍以上为合理,有时我们设计可能没有办法满足这个条件,可以适当增加在LED两端电容或电容容量方法加以解决. HV9910中文手册 特点 高于90%的效率; 8V-450V的宽输入电压范围; 恒流LED驱动; 输出电流可以从MA级到1A的应用范围; LED负载可以从一个到上百个; PWM低频率调光引脚; 输入电压可达到450V高电压级别。 适用范围 DC-DC或AC-DC LED驱动; RGB背光源驱动; 平板电视的背光源; 通用恒流源; LED信号灯和装饰灯具; 汽车; 充电器。 器件描述 HV9910 是PWM 高效率LED驱动IC。它允许电压从8VDC 一直到450VDC 而对HB LED有效控制。HV9910通过一个可升至300 KHz的频率来控制外部的MOSFET,该频率可用一个电阻调整。LED串是受到恒定电流的控制而不是电压, 如此可提供持续稳定的光输出和提高可靠度。输出电流调整范围可从MA级到1.0A。 HV9910 使用了一种高压隔离连接工艺,可经受高达450V的浪涌输入电压的冲击。对一个LED串的输出电流能被编程设定在0和他的最大值之间的任何值,它由输入到HV9910的线性调光器的外部控制电压所控制。另外,HV9910也提供一个低频的PWM调光功能,能接受一个外部达几KHz的控制信号在0-100%的占空比下进行调光。 器件极限参数 Vin to GND ...................................….........................-0.5V to +470V CS.....................…………………………………….........-0.3V to 0.8V LD, PWM_D to GND...........……......................-0.3V to (Vdd --0.3V) GATE to GND .................................………......-0.3V to (Vdd + 0.3V) Continuous Power Dissipation (TA = +25°C) (Note 1) 16-Pin SO (derate 7.5mW/°C above +25°C).…...…….….....750mW 8-Pin DIP (derate 9mW/°C above +25°C)…..……..…….......900mW 8-Pin SO (derate 6.3mW/°C above +25°C)…..……..…….....630mW Operating Temperature Range ...................……......-40°C to +85°C Junction Temperature....................................……….............+125°C Storage Temperature Range .......................……...-65°C to +150°C Stresses beyond those listed under ‘‘Absolute Maximum Ratings’’ may cause permanent damage to the device. These are stress ratings only, and functional operation of the device at these or any other conditions beyond those indicated in the operational sections of the specifications is not implied. Exposure to absolute maximum rating conditions for extended periods may affect device reliability. AC/DC OFF-LINE工作方式 HV9910 是一低功耗的脱机的降压型,降压型或者升压型转换器,该IC明确地为LED串和阵列设计。它8V到450V电压能适用世界任何国家的AC和DC供电线路。另外, 在25W以下,可增加一个被动PFC校正回路来通过EN61000-3-2 CLASS C中谐波含量的。HV9910 可以控制数以百计的HB LED或者更多的LED串。这些LED可以按照顺序有序的排布。HV9910 的控制提供恒定的 电流,从而达到确保有效控制LED的亮度和光谱,甚至延长他们的使用寿命。HV9910 定义了一个ENABLE脚(PWM_D)能够调节控制LED的光亮。 HV9910 还要另外一种控制LED亮度的办法:给HV9910的LD脚提供一个控制电压,来调节LED驱动器提供给LED的持续电流,从而达到控制LED亮度。(该方法也叫线性调光) HV9910 是标准8 脚SOIC和DIP直插式封装。同样,SO-16封装也可接受高于250V的额定电压的应用。 HV9910 包含的高压线性调整器,既给内部回路供电,也可外部低电压回路提供一个基本的偏执。 LED驱动器的工作原理 HV9910 能控制所有的基本类型转换器, 隔离的或非隔离的, 操作在连续的或不连续状态下的传导模式。当HV9910的GATE脚提供功率MOSFET信号时, 驱动器就在一个电感中储存能量,或在变压器的初级线圈中储存能量,根据转换器的类型不同,能量也可能部分直接传送到LED上去。储存在磁性元件中的能量,在功率MOSFET关断时候向输出端送出(FLYBACK工作模式) 当在VDD 的电压超过UVLO 阀值电压,GATE脚输出。输出电流依靠外部功率MOS的峰值电流来控制。MOS的源极连有一调节电流的电阻RSENSE,且该调节电流电阻上的电压被反馈到9910的CS脚上去。一旦电流飙升,CS脚上的电压超过阀值,GATE脚输出信号中止,MOS关断。该自动关断的阀值,在9910内部已经被设定为250MV,也可通过改变LD脚的电压来调节。如果需要设定软启动,LD脚需要接一个电容来抬高它的电压,确保通过LED的输出电流在启动时是逐渐提高的。 另外,介绍一个被动功率因数校正回路,它包括3个二极管和两个电容,其应用见图一所示. 电流供应 HV9910启动需要1个1MA的电流。如BLOCK DIAGRAM所示,该电流是在9910内部设定的,而不是象一般的脱机应用中那样用一个大的启动电阻来实现。 甚至在很多应用中,9910都可以通过内部的线性调节器来给内部线路持续提供7.5V的电压。 输出设定 当降压型转换器如图1的拓扑被选定, 那么CS脚的峰值电压正好反映LED的平均电流。然而,关于电流设定方法有一个错误的认识在这里有必要指出。该错误的产生来源于电路中电感的峰值和平均值的实际上是两个不同的概念。比如说,如果电感器的峰值电流是150MA,为了得到一个500 mA的LED电流值,那么RSENSE应该为:250 mV/(500 mA +0.5*150 mA)=0.43 Ω。 调光应用 该IC有两种方法进行调光,根据不同的应用, 可分为独立式和组合式。LED的光输出可以通过电流的线性控制,还可以通过调整LED电流的开通和关断时间来实现。以上第二种办法(也被称之为PWM调光)控制LED的亮度的办法实际上是控制脉冲电流的脉冲占空比。 线性调光的实现是通过对IC的LD脚提供一个0 到250 mV 的电压。该控制电压一般不超过由内部CS脚设定的极限值250 mV ,所以规划输出电流的时候应该主意这点。举例来说,在Vdd和GND之间接一个电位计就可检测出CS脚上的控制电压。当控制电压超过250 mV,输出电流的将不再被提高。如果需要更大的输出电流,需要设置一个更小的RSENSE。 PWM 调光需要IC的PWM-D脚从外部引入一个PWM信号,外部的PWM 信号可来自一个单片机或一个脉冲发生器,并符合调节输出电流要求的占空比。该PWM调光模式的成败取决于该外部信号。在该模式下,LED电流处于两种状态:关闭状态和名义上被RSENSE电阻设定的电流值状态。在这两种状态之间LED的平均亮度均不可能超过被设定的极限状态下的亮度(即占空比为100%状态)。故,LED的亮度就可以在0-100%之间调节了。精确的PWM调光方法只限于很小的脉冲宽度,而且该脉冲来自于一个低频率的PWM信号中一小部分百分比。 以下图一给出一些应用电路中常用的用来调光的PWM典型波形,CH1标识的是MOS管的耗尽电压,CH2是PWM-D的PWM信号,CH4是LED的电流。 0.4% PWM Ratio at 500Hz Dimming 工作频率的设置 外接在IC的ROSC脚上的电阻可在25-300 KHz之间设置振荡器的工作频率: FOSC=25000/(ROSC[kΩ]+22)[KHz] 功率因数校正 当负载LED的输出功率没有超过25W,可在图一的电路中加入一个被动的PFC 回路。它可通过EN61000-3-2中关于C类电器的AC线路中谐波含量的要求。该典型的应用中不通过主动PFC回路就能达到要求值得注意。该PFC回路中包含3个二极管和两个电解,它可以矫正输入的交流电,改善本电路中的谐波畸变量,从而提高功率因数达0.85以上。 电感的设计 在前面提及典型电路中,可通过电感中需要的LED的纹波电流来确定电感量。通常情况下,纹波电流是LED有效电流的30%。在这个例子中,LED的电流有效值为350mA。 下一步是确定LED负载的压降。举例来说,当负载为10颗LED一串,每颗LED 在额定电流下的压降为3.0V,那么总共的LED压降为30V。 现在知道被调整后的输入工作电压:VIN= 120V*1.41=169V,那么开关脉冲占空比百分比可确定: D=VLEDs/ Vin =30/169=0.177 然后,需要知道开关频率,在本例中fosc=50 KHz,那么,MOS的开通时间可以计算出来: TON=D/fosc=3.5ms 最后电感值可以通过以下的算式得到: L=( VIN - VLEDs)* TON /(0.3* ILED)=4.6 mH 确定输入大电容 安放一个输入的滤波电容是为了防止AC回路电压高于两倍LED负载电压,考虑到通过电容有15%的电压纹波,输入电容的最小值可通过如下的简单计算得出: CMIN=ILED* V LEDs*0.06/ VIN^2=22uF 在这里就可以使用22uF/250V的电容。 在图一电路的被动PFC电路中CMIN的处用到两个串联的电容。这两个一样的电容电压可为输入电压的一半,容量是输入电容容量的两倍。 使能控制 HV9910可通过把PWM-D脚接地来关闭输出。当处于待机状态下,HV9910的静态电流少于1mA。 输出开路保护 当应用降压型的拓扑时,LED和电感是串联在一起的,那么就无需其它保护措施来应对LED串断开的状况了。断开的LED回路意味着无开关状态,电流也不能持续。然而在升压拓扑和反激式拓扑中,它将导致开关晶体管,或整流二极管因过压而失效。在这个情况下,可通过PWM-D脚接地来检测过压状态并关闭9910. DC-DC低压应用 降压型工作方式 当LED负载的工作电压比输入电压低的时候,就可以选用降压型的能量转换拓扑。在前面的章节中讲到的在LED负载输出回路中的一些计算方法在这里同样适用。然而,设计者必须注意,选择这种工作方式,我们的输入电压必须是负载LED电压的两倍。这种限制是关系到LED的工作电流的稳定性的,当9910在降压转换工作时,它输出波形的占空比如果大于0.5,LED工作电流的不稳定性就提高了。这种不稳定性表现为输出电流以开关频率的分频谐波方式出现波动。升压型工作方式 当LED负载的工作电压比输入电压高,相同,或者低的时候,该拓扑都可被选用。举例来说,当我们选用汽车电池(12V)供电,负载为3-6颗高亮度LED,该升压拓扑就很适用了,这种情况可以是汽车尾灯和信号灯的工作方式。 在升压转换电路中,当开关晶体管开通的时间内,输入端的能量开始被保存在电感中或一个反激变压器中,在关闭的时候,能量被传送到负载端。被储存在变压器中的能量在下一个开关周期(连续传导模式)中没有被完全耗尽,输入和输出间的直流电压转化关系通过以下算式得出: VOUT = - V IN * D / ( 1-D ) 因为可调节占空比,所以输出电压可以低于也可以高于输入电压。 我们接下来继续讨论以上汽车上3颗350MA的LED的驱动方案。 已知额定工作电压12V,此时的占空比可确定: D = VLEDS / ( VIN + V LEDS ) = 9/( 12+9 ) = 0.43 然后,需要知道开关频率,在这里f OSC =50 KHz,MOS管的开通时间可以计算出来了: Ton = D / f OSC = 8.6ms 那么相应的电感量是: L = VIN * Ton / ( 0.3 *I LED ) = 0.98 mH 电感量取1mH。 输出电容 与降压拓扑不同,在反激电感接收到来自输出转换器的电流时,升压转换器需要一个输出的滤波电容在晶体管开通的时候来传递能量给LED。 为了给LED负载提供恒定的电流,电容必须能够提供一个阻抗来减弱输出端的交流纹波峰值,且该阻抗要低于LED负载的动态阻抗。在我们的例子中如果我们假定ROUT=3Ohm,为了得到一个因数为10的削弱纹波的效果,就需要取一个等效电阻为0.3 Ohm的电容。在这里可选择一个SMT的钽电容。 应用反馈: HV9910用起来是满方便的. 但个人觉得有几个明显的缺点: 1.精度差.芯片本身有10%左右误差,再加上外围元件的漂移,大批量生产时,出现部分12%-13%的偏差都很常见. 2.内建7.5V稳压输出.这样芯片本身易发热,特别在高压情况下,比如264V,需要加分压电阻.其次,输出的驱动电压不足以驱动MOS,特别是大功率的高压MOS,MOS发热严重. 3.峰值电流控制比较差.通常会有RMS值30%-50%的峰值电流,且采样精度低.需要用较大感量,才能有效控制,对于电感的体积和抗饱和能力要求高. 4.非隔离的方式使得前后级干扰严重,一般的滤波根本不起作用. 5.DATASHEET上推荐的逐流被动PF矫正,应用在9910上效果一般.即便PF大于0.9,谐波相位也不一定能通过(针对24W以下的驱动). 6.非隔离驱动下,安规什么的就别想了,3C还可以勉强搞搞. 所以个人认为,HV9910比较适用中低电流(350mA及以下),小功率(24W以下)的LED驱动,且前级最好加入隔离APFC恒压源,这样EMI,EMC,安规等等的问题也会比较容易解决. 最近SUPERTEX推出了改进版HV9910B,据说采样精度提高到5%(没看见DATASHEET上写,听销售说的),还把MOS驱动的300nS延迟时间缩短到了150nS,不知道对MOS的发热是否会有改善.