LED電源的四種保護電路設計

　　近年來(lái)，隨著(zhù)LED 技術(shù)的日趨成熟，LED 光源因其具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩定性高、響應時(shí)間短、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越廣泛地使用。LED 電源大都采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，輸出多為可隨LED 正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源即恒流驅動(dòng)。根據LED 的伏安特性，電壓的微小變化可導致電流的很大變化，有可能損壞LED,且開(kāi)關(guān)電源中控制電路比較復雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因此驅動(dòng)電源的可靠性影響了LED 應用產(chǎn)品的壽命，為了保護開(kāi)關(guān)電源自身和負載的安全，延長(cháng)使用壽命，必須設計安全可靠的保護電路。

　　1 直通保護電路

　　半橋和全橋是開(kāi)關(guān)電源常用的拓撲結構，“直通”對其有很大的威脅，直通是同一橋臂兩只晶體管在同一時(shí)間內同時(shí)導通的現象。在換流期，開(kāi)關(guān)電源易受干擾而造成直通，過(guò)大的直通電流會(huì )損壞用于逆變的電力電子器件。一旦出現直通現象，須盡快檢測到并立即關(guān)斷驅動(dòng)，以避免開(kāi)關(guān)器件的PN 結積累過(guò)大的熱量而燒壞。這里利用雙單穩態(tài)集成觸發(fā)器CD4528設計了一種針對全橋和半橋的直通檢測、保護電路。

　　CD4528含兩個(gè)單穩態(tài)觸發(fā)器，其真值表如圖1.芯片3腳與13腳分別為其內部?jì)蓚€(gè)獨立單穩態(tài)電路的Clear 端，5腳和11腳為單穩態(tài)的B 輸入端，4腳與12腳為單穩態(tài)的A 輸入端。

　　B 端接高電平，只有當Clear 端為高電平時(shí)，A 端輸入的上升沿觸發(fā)才會(huì )有效。

　　PWM1與PWM2為PWM 芯片輸出的兩路互補脈沖信號，主電路（見(jiàn)圖2）中Q1、Q4的驅動(dòng)與圖3中PWM1同步，Q2、Q3的驅動(dòng)與PWM2同步。在A(yíng)、B、C 和D4點(diǎn)進(jìn)行電流上升率采樣然后轉變?yōu)殡妷盒盘?，并分別給圖3中的直通信號1與直通信號2.

　　主電路中的左右橋臂對稱(chēng)，就左橋臂的直通保護進(jìn)行分析。正常狀態(tài)下，當Q1、Q4導通時(shí)，PWM1為高電平，PWM2為低電平，3腳高電平輸入有效，A 點(diǎn)和D 點(diǎn)沒(méi)有電流流過(guò)，不會(huì )觸發(fā)單穩態(tài)；雖然B 點(diǎn)和C 點(diǎn)采到了正常輸出的上升沿信號，但是13腳低電平時(shí)輸入無(wú)效，所以不會(huì )觸發(fā)單穩態(tài)，沒(méi)有保護信號輸出；而在直通時(shí)，Q3由于某種原因誤導通了，A 點(diǎn)將檢測到很大的電流上升率并轉換為電壓信號；此時(shí)PWM1為高電平，圖3中左邊的單穩態(tài)被觸發(fā)產(chǎn)生保護信號送到PWM 芯片的shutdow n 端，封鎖PWM 脈沖輸出。

　　2 過(guò)流保護電路

　　當出現負載短路、過(guò)載或者控制電路失效等意外情況時(shí)，會(huì )引起流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流過(guò)大，使管子功耗增大、發(fā)熱，若沒(méi)有過(guò)流保護裝置，大功率開(kāi)關(guān)管就可能損壞； 調節電路失效還可能導致LED 過(guò)流損壞。過(guò)流保護一般通過(guò)取樣電阻或霍爾傳感器等來(lái)檢測、比較，從而實(shí)現保護，但它們都有體積大和成本高的缺點(diǎn)。

　　這里采用如圖4的方法，在正激變換器扼流圈放置相同匝數的線(xiàn)徑較細的線(xiàn)圈。這兩個(gè)繞組是磁平衡的，它們之間本應沒(méi)有電壓差。但是主繞組有直流電阻，大電流時(shí)產(chǎn)生了微小的電壓差，該電壓差由負載電流決定。這個(gè)微小的電壓差被運放檢測，并且通過(guò)調節Rx可以設置電流限制。該電路的缺點(diǎn)是電流限制不是很精細的，這是因為銅電阻在溫度每上升10℃時(shí)增加4%.但是這個(gè)電路依然可以滿(mǎn)足我們的設計要求。

　　3 開(kāi)、關(guān)機電流過(guò)沖保護電路

　　穩流型開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)機和關(guān)機時(shí)容易造成電流過(guò)沖，LED 之類(lèi)的負載對ms 級的電流過(guò)沖都是不允許的，瞬間大電流的沖擊有可能損壞LED 器件，因此必須嚴格防止電流過(guò)沖。

　　3.1 開(kāi)機電流過(guò)沖保護

　　開(kāi)機時(shí)，由于電源濾波電容大，以及各延遲環(huán)節使得電流采樣反饋值與給定值在調節器輸入端不同，這會(huì )使得負載電流上升過(guò)沖，實(shí)測過(guò)沖波形如圖5所示。為了解決這一問(wèn)題，可以將調節器給定端RC 的值適當加大，調節以后的開(kāi)機電流沒(méi)有發(fā)生過(guò)沖，波形如圖6.

　　3.2 關(guān)機電流過(guò)沖保護

　　在我們設計的30A/20V 開(kāi)關(guān)型穩流電源中，采用控制電路單獨供電。主電路的濾波電容在工作時(shí)存儲了大量的電能，切斷總電源后，其中存儲的電荷持續數秒才能放完。所以關(guān)機后單獨供電的采樣電路先關(guān)而主電路延遲關(guān)閉。調節器的給定輸入端由主電路供電，即關(guān)機后調節器的采樣輸入端先降低，給定端緩慢降低，于是其輸出誤差電壓增大，控制芯片增加PWM 的占空比，由此導致了關(guān)機時(shí)負載電流的嚴重過(guò)沖，過(guò)沖時(shí)的電流波形如圖7所示。

　　圖8 為關(guān)機電流過(guò)沖保護電路，該電路能在3ms 內迅速檢測出交流電源是否關(guān)閉，并且在電源關(guān)閉后強行將調節器給定輸入端的電壓拉低，防止電流過(guò)沖，具體動(dòng)作過(guò)程如下。

　　光耦U1、U 2 隨被測電源的正負半周交替導通，當A 點(diǎn)交流電壓大于光耦中發(fā)光二極管的導通電壓Von 時(shí)，光耦開(kāi)啟，C3通過(guò)光耦中三極管放電，使B 點(diǎn)的電壓達不到場(chǎng)效應管的開(kāi)啟電壓； 當交流電壓小于Von 時(shí)，光耦不導通，C3充電，B 點(diǎn)的電壓增加，此時(shí)應使C3的電壓上升到場(chǎng)效應管閾值的時(shí)間大于光耦關(guān)閉的時(shí)間，以保證Q2不導通。在t1時(shí)刻交流電源斷開(kāi)，光耦輸出呈高阻態(tài)，C2中存儲的電荷經(jīng)R1向C3充電，C3上的電壓迅速增加，當B 點(diǎn)電壓大于場(chǎng)效應管的開(kāi)啟電壓時(shí)，場(chǎng)效應管Q2導通，導通后可迅速將Vs 拉低，圖8中Vs 是調節器的給定輸入端電壓。關(guān)機瞬間負載電流和圖8中B 點(diǎn)的波形如圖9.

　　改變R1和R4的參數，可以改變給C3充電的時(shí)間。R4選用較大阻值的，可以提高C3上的電壓，同時(shí)延長(cháng)C3的放電時(shí)間。C2的大小可以決定交流電源斷電后維持該電路工作的時(shí)間。綜上所述，設置合理的參數，便可保證在主電路電源沒(méi)有完全關(guān)閉的情況下，Q2一直導通，即誤差放大器的給定輸入端一直為零，避免了電流過(guò)沖。

　　4 過(guò)壓保護電路

　　穩流型電源若負載發(fā)生斷路，電流檢測電阻兩端的電壓下降到零，一旦給定值不為零，調節器會(huì )使得輸出電壓急劇飆升至最大值，這對負載連接接觸不良時(shí)是很危險的。對LED、半導體制冷等負載來(lái)說(shuō)，過(guò)壓發(fā)生時(shí)，首要任務(wù)是保護負載，其次是保護開(kāi)關(guān)功率管。

　　為解決以上問(wèn)題，有兩種保護方法同時(shí)使用，一是放置雙向TVS 來(lái)實(shí)現對瞬間沖擊電壓的防護。

　　TVS 是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS 二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以納秒級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預定值，有效地保護電子線(xiàn)路中的元器件免受各種浪涌脈沖損壞。還可將電阻與TVS 串聯(lián)，當TVS 未擊穿時(shí)，電阻上沒(méi)有電流，若發(fā)生過(guò)壓，TVS被擊穿，電阻上有電流流過(guò)，產(chǎn)生壓降，以此作為保護信號，送到PWM 芯片的shutdown 端，封鎖PWM 脈沖輸出。另外一種方法是當負載斷路時(shí)使電源立即停止工作，如圖10所示，圖中R24和R27給運放同相輸入端提供固定的小電壓U+.R26為取樣的負載電流輸入， 當負載發(fā)生斷路時(shí)，運放反相輸入端電壓U-=0, 因而U+>U-, 運放輸出電壓為高電平，給出空載保護信號。同時(shí)將時(shí)間常數R30×C15與電源給定的時(shí)間常數配合調節，使得空載保護不發(fā)生誤動(dòng)作。

　　結語(yǔ)

　　文中主要討論了LED 電源的幾種保護方式，并介紹了一些具體電路。對一個(gè)給定的直流開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，保護電路是否完善并按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。而電源的可靠性將會(huì )影響到LED 產(chǎn)品的壽命，因此通常需要用幾種保護方式加以組合來(lái)構成完善的保護系統，確保直流開(kāi)關(guān)電源的正常工作。我們將這些措施實(shí)際用于驅動(dòng)LED 負載，工作安全可靠。