LR5910高压输入LED恒流源日光灯方案及设计指南0.9A

     1 高压恒流源 LED 驱动器 日光灯驱动电源产品 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及设计指南                      2 一 基本参数：  原 理 图 PCB 项目 单位 最小 典型 最大 备 注 输出电压 V 66 76 96 220VAC 供电，24 颗 LED 串联压降 输出电流 mA 230 220VAC 供电，12 条并联支路总电流 功率因数 0.94 220VAC 供电，24 串 12 并，288 颗 电气 特性 效率η 90% 220VAC 供电，24 串 12 并，288 颗 恒流精度 <1% F0 慢断保险丝：250V/0.5A VDR 压敏电阻：7D471 T_CM 共模电感：16*9*6，预留 CX1，CX2 安规 X2 电容：0.1uf 间距：10MM D_B 桥堆：DF04S /DB104S R7 功率电阻：10Ω／1W C7 金属薄膜电容：0.015UF/630V C0 C1 电解电容：22UF/250V φ10*20 ，105℃ C6 瓷片电容：1UF/16V 1206 C8 电解电容：10UF/400V φ8*12 C2 瓷片电容：10nF 1206 C5 预留 D0 D1 D2 M7 SMA/DO-214AC D3 BYV26C DO-41 R8 300KΩ 1/4W 1206 R1 预留 R2 0Ω 1/4W 1206 可考虑配合 C5 做滤波 R5 3KΩ 1/4W 1206 R6 0Ω 1/4W 1206 R0 R3 R4 2.7Ω 1/2W 1206 Q1 4N60/2N60, L0,L1 3.63mH/500mA +3.63mH/500mAφ10*16 工字电感 串联使用 L2 3.5mH/100mA φ6*8 工字电感 U0 LR5910LED高压工艺驱动器 器件 参数 PCB 250mm*16.5mm*1.6mm(双层板)      3 二 应用信息：  1. 电路工作原理    图一 PWM控制器基本应用框图    该电路采用了基于峰值电流检测的buck拓扑结构，Reg为高压转换模块，从电源取 电将其转换成7.5V供应芯片内部其它模块工作。比较器反向输入端的250mV电压由芯片 内部250mV基准提供，  图一为LR5910典型应用电路，本电路采用了基于峰值电流检测的buck电路结构，自 身具有过流保护和过压保护，用户可以不用额外增加保护电路，在负载开路时开关管必 须能承受1.5倍的电源电压。    如图二，根据电感电流是否连续可将电路分为三种工作模式：连续导通模式 CCM； 零界连续导通模式 BCM；断续导通模式 DCM。在稳定状态下每个周期电流都回流到 0， 则称为断续模式；若电流回到某一非零值，则称为连续导通模式。从图中我们还可以得 到一些信息，连续模式下的电流波动相对平均电流较小，这也是我们常说的电流纹波率 r，在 CCM 模式下 r<2。对于 LED 这种需要恒流驱动的器件显然 CCM 模式比较适合，另 外 CCM 模式还有一个优点：根据电感电压公式 =L /V i tΔ Δ ，当开关管 Q 关断时，电感 L 端电压可近似为输出电压 Vo,则对于可知的放电时间 Toff 有 = / L= / Lo offi V t V TΔ Δ ，电 感或者负载平均电流 Iavg为： / 2 250 / / 2LMAX avg sense o offI I mV R V T− = − 与输入电压无 关，对于其它模式，显然不具有这个优点。       4   图二 电路3种工作模式    2. 器件参数选择  z 开关频率和 OSC 端 R1的选择  在设计之初，首先应该选择的是适当开关频率，因为开关频率的大小不仅决定MOS 管开关功耗，也可以说与效率有关，还与电感体积成反比，太大工作频率会使开关管发 热严重，单位时间内开关转换的次数越多，能量损耗越大。MOSFET的开关损耗会随着 自身温度的上升而急剧增加，最终影响整个电路的效率。    一般对于 20W 左右的日光灯驱动设计，我们选择工作频率在 50KHZ 左右，虽然工 作频率越低电感的体积会越大，但在后面我们可以调节纹波率 r来减小电感的体积，对 于此日光灯驱动的应用，为了考虑恒流精度，事实上在实践中会因为器件的一致性问题 导致电路在固定工作频率时出现 LED 闪烁，在综合考虑各方面因素后选取电路工作在恒 定关断时间模式，选取 R1＝300KΩ，在 75.5V 输出时的恒流精度基本能控制在 1%以内。 z 电感 L0 的选择  电感的计算方法有很多种，按不同的角度分，有从能量传递的角度，从电流纹波率 的角度，从伏秒数的角度等等，怎样才能最终选择好合适的电感对于设计者来说需要考 虑的因素很多。对于此应用，我们的步骤是先定工作频率，再在一定范围的纹波率下作 选择，在 CCM 模式下计算出来的电感是足以能够担负传递能量的重任，这个可以用能 量传递公式 MAX MAXE I I L= • 来计算。所以在此情况下，电感的取值大小主要决定于负 载的纹波电流，也就是纹波率 r的大小。在 CCM 模式下纹波率0 2r< < ，一般经验是 选择0.3 1r< < 。纹波率 r的大小会影响很多因素，由图三可看出图中所有参数都归一 化为纹波率 r=0.3，较为理想的选择是 r=0.4。       5   图三 纹波率r变化曲线优化图    在设计之初我们先以效率为主要参数，所以前期我们会采用较大的纹波系数，考虑 到负载合适（在此应用中选择 4.7UF/400V）的滤波电容最终能将负载纹波控制在 10%以 内，当然，太大的纹波会导致输出电容发热严重，所以在选择纹波率 r时一定要折中考 虑这些因素。这些都是为产品的效率，量产时的成本和采购的方便性在作考虑。     考虑到 LED 的使用寿命，电流过强会引起 LED 光的衰减，电流过弱会影响 LED 的 发光强度，在这里我们选取取 OI ＝230mA，平均每支路电流为 19.2 mA,， O MAXV − =81.6V， ACV ＝220VAC，则可计算出电感 L0 的值为 7.2mH，可使用两个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值 3.63mH 的电感 串联。为了使电感在最大电流下不会饱和，一般取电感额定电流为负载峰值电流的 1.5 倍，即：IL=500mA。    z MOSFET 和二极管 D3 的选择    MOSFET的峰值电压依赖于最大输入电压．采用 50%的裕量  1.5 ( 2 265) 562FETV V= • • =   MOSFET的电流最大有效值取决于最大占空比，考虑一定裕量取 D=50%,则MOSFET 额定电流 0.5 0.163FET OI I= • = Α ,通常 MOSFET 的额定电流选取为上述电流的 3 倍， 4N60,600V  足以满足要求，小于 300mA的负载电流，为降低成本也可考虑 2N60，但在 PCB设计是一定要考虑热管理．    二极管的额定峰值电压与MOSFET 的相同也为 562V.  二极管的平均电流 0.5 0.12DIODE OI I= • = Α ,选取 600V,1A的BYV26C，恢复时间是 30Ns,      6 这样的选择是因为持续的反向恢复电流和MOS管D端电容会直接导致MOS管温升比较 严重，最后导致整个电路工作异常。  z 检测电阻 R0的选择  电流采样电阻 R0 的大小与该支路的峰值电流 I pk 有关，其计算公式为：  0 V 0.25R = = I I TH pk pk   其中 I pk 为该支路的峰值电流，在此 I 1.15 0.276pk OI= = Α．V 0.25TH = V是因为采芯片 内部采用了 0.25V 的阈值电压，则可计算出 R0=0.9Ω,  可使用三只 2.7Ω1/2W 电阻并联 实现． 另外，如图一 LR5910 LD 端可考虑从 VDD 端取电，接入一可调电阻使得 LD 输入电 压在 0.25V内可调，通过这种方法从某种程度上解决量产是电流一致性的问题。具体做 法可用一只 500K的固定电阻和一只 100K的可调电阻串联实现。 采用并联方式时，尽量能保证并联各电阻阻值相同或相近，这样做的好处一是便于 采购，二是并联均流，另外在设计PCB是尽量使三只电阻靠近并且同时靠近LR5910的 CS端，以减小因为PCB布局不当而造成LR5910对峰值电流的检测误差。   z 输出电容 C2的选择  C2 的选择取决于电路的工作模式，当电路工作于连续导通模式时是不需要输出电 容进行滤波，但这种情况 LED 上的纹波电流会比较大，而且在较高输出电压时电感会发 出嗡鸣声，在此应用中我们采用连续模式，为了降低最后输出给 LED 串的纹波，在此我 们必须合适地选择输出电容   z 填谷式功率因素校正  也就是输入侧 3D‐2C‐1R电路，此电路中的 2C为什么会选择 22UF而不是其它的值？ 因为这两个电容同时也是作为输入电容引入的，由输入电容的涟波电压公式可计算得到 ，太小的输入电容会导致输出 LED 收到工频干扰而出现闪烁，同时作为无源 PFC 校正，在 20W 输出功率下，能将整个电 路的COSφ提高到 0.85－0.97     z EMC/EMC 的考虑  在电路前端，CX1,CX2,TC_M 的引入可有效减少共模干扰。  在电路输入侧，我们选择了 L2 和 C7 组成的 LC 低通滤波器，将电路中大于 20KHZ 的干扰阻挡在电网以外。  在 PCB设计阶段，首先应该考虑的是MOS管布局，毫无疑问，整个电路的噪声源 是MOS管，寄生参数将直接影响电路的性能。所以尽量使MOS管和主芯片隔开的做法 是有效的。      （具体公式可参考《LR5910器件选择_参数计算器》      7 3. 测试/测量关键信号   z GATE端波形  首先确认占空比是否异常（应该在 较小范围内变化），如果变化过大建议 查看 VDD 端电源波形是否稳定。                            图四 实测 GATE端波形图  z SENSE端波形  通过 SENSE端波形可以看出电感是 否工作在非饱和区域，图中 CH1 是 SENSE端波形，CH2 是 GATA端波形。如 果电感工作在饱和区域，SENSE 端电压 在到达尖峰前的斜率会发生较大的变 化，这种情况下是比较危险的，所以在 选择电感时饱和电流的裕量一定要够。                                            图五 实测 SENSE＋GATE 端波形图  z LED 端电压波形  由图可以看出输出 LED端电压比较 平稳，如果电压出现较大幅度的跳动， 请检查输入电容是否够大（可能是受到 工频干扰）；第二检查输出电容是否够 大。                            图六 实测负载 LED 端电压波形图  z LED 端电流波形  测量 LED 的纹波电流方法有两种： 一就是用示波器专业电流探头直接测 量。二是在 LED 任何一端串接一只电阻， 然后测量电阻两端的纹波电压，由此计 算出纹波电流。  图中是串入 10Ω/1W电阻两端电压 波形，设置探头耦合方式为交流耦合。 计算出电流纹波为±15%。                             图七 实测串联电阻端电压波形图       8 4. PCB设计注意事项    z 高压低压之间的走线间距要预留够，推荐距离>1mm；  z 尽量使用铺地使芯片地与采样电阻地分开，防止大电流窜扰；  z 大电流信号走线最好在 1.5 mm；  z MOS管与芯片的布局尽可能分开；  z MOS 管三个极走线尽可能短特别是漏端 D，因为此处的寄生参数将 直接影响整个电路的性能；  z 合理对MOS管进行热管理，在 PCB走线时充分考虑其散热迅速；  z 电源输入端电容节点处焊盘尽量不要用大面积铺铜，尽量让电流通 过电容焊盘；    5. 关于 CE认证  z 可考虑在电源输入端串入磁环以减小辐射；    z 可考虑在电源输入端引入共模电感以减少传导噪声，电感值可选取 在 50MH‐60MH；    z 可考虑在开关管 G‐D间串入 101/1KV电容以减少开关噪声；  z 可考虑在整流桥负极与输出负极间串入 222/275VAC Y2电容；