單芯片同步整流LED車燈恒流電路設(shè)計(jì)
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摘要：針對傳統(tǒng)LED車燈溫度過高、安全距離不夠以及EMC不好控制等問題，設(shè)計(jì)了一種單芯片同步整流的led驅(qū)動電路。采用線性恒流IC，實(shí)現(xiàn)高精度恒流和高效率；通過散熱器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了LED車燈的散熱問題；最后，對LED車燈進(jìn)行系統(tǒng)測試。結(jié)果表明，在DC9～15V輸入電壓范圍內(nèi)，采用10～16VCOB燈珠負(fù)載，系統(tǒng)輸出電流平均值約為Io=1.0～1.8A，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約90%，系統(tǒng)的功率因數(shù)約0.94；在輸出電壓Uo=12.2V下，經(jīng)老化1h后，ESOP8芯片溫度為83.2℃，COBLED芯片溫度為92.1℃，符合ERP認(rèn)證要求。
關(guān)鍵詞：單芯片；同步整流；恒流電路；散熱；ERP認(rèn)證
引言
傳統(tǒng)LED車燈驅(qū)動大多為非ERP認(rèn)證產(chǎn)品，存在一定的干擾，嚴(yán)重的還會影響車載收音機(jī)的正常工作。目前，主流的LED車燈驅(qū)動電路整流都是異步，外圍電路必須要二極管續(xù)流，整體轉(zhuǎn)換效率偏低，器件溫升很高。近年來，一些專家和技術(shù)人員在專利技術(shù)[1-4]和LED驅(qū)動電路改進(jìn)[5-8]上做了大量研究，并取得了諸多成就。文獻(xiàn)[5]提出一種基于恒流二極管的LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本；文獻(xiàn)[8]提出一種用于汽車照明的LED恒流供電電路，利用精密穩(wěn)壓電源芯片產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)的參考電壓，在LED負(fù)載中串聯(lián)一個(gè)線繞電阻并利用它產(chǎn)生一個(gè)反饋電壓，將其與參考電壓分別送入電壓比較器中產(chǎn)生一個(gè)控制電壓，利用其控制調(diào)整元件的壓降，從而實(shí)現(xiàn)LED恒流供電。以上文獻(xiàn)不同程度地實(shí)現(xiàn)了LED燈恒流驅(qū)動，取得了較好效果。目前，市場上雖有一些通過ERP認(rèn)證的LED車燈驅(qū)動，但其驅(qū)動方案基本都是異步方案，外圍復(fù)雜，需要較大的差模電感和共模電感，體積大、成本高、溫度高，外圍電路必須要二極管續(xù)流，整體轉(zhuǎn)換效率偏低，器件溫升高。本文研究一款單芯片同步整流LED車燈驅(qū)動電路，采用極其簡單的外圍，大大節(jié)省了空間和成本，整體溫度低，輕松滿足小體積LED車燈驅(qū)動的需求，方便組裝和安裝，并成功通過了ERP認(rèn)證。
1電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
圖1給出了LED恒流驅(qū)動電路設(shè)計(jì)總體框圖，主要包括橋式整流濾波模塊、同步整流及恒流控制模塊、輸出濾波模塊和LED負(fù)載電路。圖2為LED驅(qū)動電路圖。VIN與COM是輸入端，后面接4個(gè)二極管組成全波整流（即D1～D4）。輸入可以是交流電也可以是直流電，無需區(qū)分極性。電容E1、E2和電感L2組成PI型濾波電路，主要用于通過EMC測試減小驅(qū)動電源的干擾。電感L2不同于目前主流的差模電感，僅需0805封裝大小的貼片磁珠即可。濾波電路后接LED恒流驅(qū)動芯片U1，電阻R1、電容C1的串聯(lián)回路為LED恒流驅(qū)動芯片U1內(nèi)置的高邊MOS自舉供電。LED恒流驅(qū)動芯片U1內(nèi)置的低邊MOS的漏端（SW腳）接主功率電感L1，L1為儲能電感，再經(jīng)輸出電容E3濾波后接到LED負(fù)載的正極。LED負(fù)載的負(fù)極與輸出濾波電容E3的負(fù)極一起接到LED恒流驅(qū)動芯片的電流檢測引腳IFB。電阻R3跨接在LED負(fù)載的負(fù)極與LED恒流驅(qū)動芯片的地端（GND），精確采樣輸出電流，實(shí)現(xiàn)恒流輸出。電阻R2與電容C2組成的串聯(lián)回路，一端接LED恒流驅(qū)動IC內(nèi)置低邊MOS的漏端，另一端接GND，作用是對SW的高頻開關(guān)噪聲及干擾進(jìn)行吸收。
1.2LED散熱器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
LED驅(qū)動電路工作效率雖高，但由于工作電流大，導(dǎo)致部分電能轉(zhuǎn)換成了熱能，在持續(xù)的大電流及有限的燈罩空間內(nèi)必然會使溫度過高。所以，解決COB光源及驅(qū)動電路的散熱是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為解決LED車燈的散熱問題，本設(shè)計(jì)的散熱套件采用純鋁材料，如圖3所示。傳統(tǒng)LED車燈材料燈珠焊接基板采用常規(guī)1.5mm厚度的FR-4覆銅板。設(shè)計(jì)中，COBLED材料燈珠焊接基板采用2mm厚度的鋁基敷銅板，最大差異在于散熱性。此外，通過采用盡可能多的散熱翅片來增加散熱面積，起到更好的輔助散熱效果。相比FR-4覆銅板，鋁基覆銅板熱阻僅為1.0～2.0℃，而FR-4覆銅板熱阻為20～22℃，相差很大。
2測試與結(jié)果分析
設(shè)計(jì)采用ACPOWERSOURCEAPS-9501交流電源、DC12V電子負(fù)載儀作為測試設(shè)備，通過TEKtronix3012B示波器、WT210DIGITALPOWERMETER功率計(jì)、34970A溫度數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行參數(shù)性能測試，從而驗(yàn)證整燈的效果。表1列出室溫下不同輸入電壓下基本輸出參數(shù)的測試情況，表2列出了在輸入電壓Ui=DC12V情況下系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度測試數(shù)據(jù)。由表1可以看出：在DC9～15V輸入電壓范圍內(nèi)，采用12V電子負(fù)載儀，系統(tǒng)輸出電流平均值約為Io=1.613A，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約91.1%，系統(tǒng)的功率因數(shù)約0.94。由表2可以看出：系統(tǒng)整燈在室溫、DC12V輸入條件下，輸出電壓Uo=12.2V，經(jīng)老化1h后，ESOP8芯片溫度為83.2℃，COBLED芯片溫度為92.1℃，符合ERP認(rèn)證要求。
3結(jié)論
設(shè)計(jì)采用單芯片同步整流小體積設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了LED車燈的恒流驅(qū)動，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用LED雙級驅(qū)動應(yīng)用，前級為整波電路，后級為LED恒流電路；（2）采用單IC實(shí)現(xiàn)同步整流，相對于目前市面主流的異步方案，體積更小，外圍更簡單，轉(zhuǎn)換效率更高，溫升更低；（3）支持無極性輸入，且只需極簡外圍即可輕松通過EMC測試，整體成本更低；（4）采用導(dǎo)熱性能好的鋁材和散熱性能好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整燈的散熱效果良好，溫升降低。
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作者：黃書生 單位：汕頭市林百欣科技中專