基于開(kāi)關(guān)電流芯片MC331647的LED驅動(dòng)器設計

　　1 引言

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

　　2 LED驅動(dòng)器的設計思想

　　由于該驅動(dòng)器主要用于汽車(chē)照明，其電源主要是蓄電池，因此需要一個(gè)DC/DC轉換器來(lái)準確調節LED的恒定電流，進(jìn)而獲得LED光強的一致性和顏色的完整性。車(chē)載系統的LED照明工作方式變化范圍較大，故其驅動(dòng)器也應適于不同的應用需要。汽車(chē)電池的標準電壓為12 V，電池電壓在電量耗光時(shí)可能降至8 V，而發(fā)動(dòng)機運行時(shí)交流發(fā)電機則可能將其電壓充至14 V。由于汽車(chē)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(dòng)器需要采用升一降壓的電路結構來(lái)適應保持LED的恒流要求。

　　考慮LED驅動(dòng)器作為電流控制系統的本質(zhì)特點(diǎn)，選擇通用開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管通過(guò)電流最大可達5 A，并且通過(guò)配置合適的外圍電路就可實(shí)現升-降壓功能，因此該芯片完全可做為汽車(chē)用LED驅動(dòng)器的核心芯片。

　　3 開(kāi)關(guān)電源核心芯片的分析研究

　　LED特種照明驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)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(guò)5 A的輸出開(kāi)關(guān)電流，無(wú)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(tài)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(kāi)關(guān)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(shí)現濾波作用，大大簡(jiǎn)化了外部元件。

　　芯片5腳電位U5與輸出電位U2對應關(guān)系如圖2所示。芯片1腳電位U1變化時(shí)（U1與標準電壓5.05 V不相等時(shí)），U5則相應成比例變化，U5與晶振產(chǎn)生的鋸齒波經(jīng)過(guò)PWM運算放大器的比較，輸出高電平或低電平，然后經(jīng)過(guò)內部邏輯電路運算控制開(kāi)關(guān)管的導通或關(guān)斷，從而控制U2。因此隨著(zhù)U5的變化，輸出開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間也就不同，即U2的占當比發(fā)生變化，從而控制輸出電壓的大小。當U1降低時(shí)，U5升高，同時(shí)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(dòng)器電路開(kāi)發(fā)

　　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(wú)法穩定。經(jīng)過(guò)實(shí)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(jìn)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(guò)外部疊加電壓Uc來(lái)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(shí)，IL=0;當Uc=5 V時(shí)，IL=1 A，采樣電阻Rc=0.25 Ω，可得：IL=0.2Uc。因此通過(guò)調整控制Uc的大小，可以線(xiàn)性控制輸出電流的值。

　　4.2 LED驅動(dòng)器的閉環(huán)穩定性分析

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

　　綜合考慮LED驅動(dòng)器的用途，在設計時(shí)控制系統首要考慮系統穩定性和控制精度，同時(shí)驅動(dòng)器主要用于汽車(chē)，外界干擾比較大，而且調光速度不會(huì )很快，因此系統帶寬不需要很大。取濾波電感200μH，電容20μF，此時(shí)濾波器諧振頻率ωn=15.8 krad·s-1，驅動(dòng)器開(kāi)關(guān)頻率ω=452 krad·s-1，所以輸出紋波衰減約818倍，完全滿(mǎn)足濾波要求;實(shí)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(gè)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(shí)驅動(dòng)器PI控制器中Rf=2 000Ω，Cf=1μF，其零點(diǎn)轉折頻率ω0=500 rad·s-1，處于滯后校正極點(diǎn)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(gè)系統幅頻特性以-20 dB/dec穿過(guò)0 dB線(xiàn)。提高了系統的穩定性。

　　濾波器內阻Rin=0.1 Ω時(shí)，負載電阻R=10 Ω，L=190μH，C=20μF時(shí)系統開(kāi)環(huán)波特圖如圖5所示，其中圖5a為系統不帶滯后校正環(huán)節時(shí)的波特圖，圖5b為滯后校正后的波特圖。由圖可知，經(jīng)過(guò)滯后校正系統變穩定，且相角裕度比較大。

　　4.3 LED驅動(dòng)器電路設計

　　驅動(dòng)電流源電路以開(kāi)關(guān)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(guò)電壓源的實(shí)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(guò)電壓源的實(shí)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(huán)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(dòng)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(shí)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(fā)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(shí)，輸出電流應該相應地線(xiàn)性變化，即，IL=0.2Uc。通過(guò)實(shí)驗測得的控制電壓與輸出電流的對應數據如圖7所示。實(shí)際對應關(guān)系為：IL=0.167Uc+0.043，由實(shí)驗結果可知實(shí)際的控制電壓與輸出電流對應關(guān)系的趨勢基本相同?？紤]到電路中實(shí)際電路參數以及偏差電壓的誤差，因此該結果完全正常。

　　5 結論

　　給出所開(kāi)發(fā)的基于開(kāi)關(guān)電流芯片MC331647的LED驅動(dòng)器，成功實(shí)現供給的負載電壓可在較寬的范圍內變化，并且能帶功率較大的負載，采用智能控制模塊，實(shí)時(shí)、準確地控制LED發(fā)光強度，測試出驅動(dòng)器的穩態(tài)性能指標，具有在車(chē)載LED中推廣的價(jià)值。