工程师基于保护LED电源电路的若干方法介绍

引言 　　近年来，随着LED技术的日趋成熟，LED光源因其具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、多色发光等的优点被越来越广泛地使用。 LED电源大都采用开关电源技术，输出多为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源即恒流驱动 。根据LED的伏安特性，电压的微小变化可导致电流的很大变化，有可能损坏LED， 且开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因此驱动电源的可靠性影响了LED应用产品的寿命，为了保护开关电源自身和负载的安全，延长使用寿命，必须设计安全可靠的保护电路。 　　1 直通保护电路 　　半桥和全桥是开关电源常用的拓扑结构，“直通”对其有很大的威胁，直通是同一桥臂两只晶体管在同一时间内同时导通的现象。 在换流期，开关电源易受干扰而造成直通，过大的直通电流会损坏用于逆变的电力电子器件。一旦出现直通现象，须尽快检测到并立即关断驱动，以避免开关器件的PN结积累过大的热量而烧坏。这里利用双单稳态集成触发器CD4528设计了一种针对全桥和半桥的直通检测、保护电路。 　　CD4528含两个单稳态触发器，其真值表如图1。芯片3脚与13脚分别为其内部两个独立单稳态电路的Clear 端，5脚和11脚为单稳态的B输入端，4脚与12脚为单稳态的A输入端。B端接高电平，只有当Clear端为高电平时，A端输入的上升沿触发才会有效。 　　PWM1与PWM2为PWM芯片输出的两路互补脉冲信号，主电路( 见图2)中Q1、Q4的驱动与图3中PWM1同步，Q2、Q3的驱动与PWM2同步。 在A、B、C和D4点进行电流上升率采样然后转变为电压信号，并分别给图3中的直通信号1与直通信号2。 　　主电路中的左右桥臂对称，就左桥臂的直通保护进行分析。 正常状态下，当Q1、Q4导通时，PWM1为高电平，PWM2为低电平，3脚高电平输入有效，A点和D点没有电流流过，不会触发单稳态;虽然B点和C点采到了正常输出的上升沿信号，但是13 脚低电平时输入无效，所以不会触发单稳态，没有保护信号输出; 而在直通时，Q3由于某种原因误导通了，A点将检测到很大的电流上升率并转换为电压信号; 此时PWM1为高电平，图3中左边的单稳态被触发产生保护信号送到PWM 芯片的shutdow n 端，封锁PWM脉冲输出。 　　2 过流保护电路 　　当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时，会引起流过开关管的电流过大，使管子功耗增大、发热，若没有过流保护装置，大功率开关管就可能损坏; 调节电路失效还可能导致LED过流损坏。 过流保护一般通过取样电阻或霍尔传感器等来检测、比较，从而实现保护，但它们都有体积大和成本高的缺点。 　　这里采用如图4的方法，在正激变换器扼流圈放置相同匝数的线径较细的线圈。 这两个绕组是磁平衡的，它们之间本应没有电压差。 但是主绕组有直流电阻，大电流时产生了微小的电压差，该电压差由负载电流决定。这个微小的电压差被运放检测，并且通过调节Rx可以设置电流限制。该电路的缺点是电流限制不是很精细的，这是因为铜电阻在温度每上升10℃时增加4%。但是这个电路依然可以满足我们的设计要求。 　　3开机电流过冲保护 　　开机时，由于电源滤波电容大，以及各延迟环节使得电流采样反馈值与给定值在调节器输入端不同，这会使得负载电流上升过冲，实测过冲波形如图5所示。 为了解决这一问题，可以将调节器给定端RC 的值适当加大，调节以后的开机电流没有发生过冲，波形如图6. 　　4 关机电流过冲保护 　　在我们设计的30A/20V开关型稳流电源中，采用控制电路单独供电。主电路的滤波电容在工作时存储了大量的电能，切断总电源后，其中存储的电荷持续数秒才能放完。 所以关机后单独供电的采样电路先关而主电路延迟关闭。调节器的给定输入端由主电路供电，即关机后调节器的采样输入端先降低，给定端缓慢降低，于是其输出误差电压增大，控制芯片增加PWM 的占空比，由此导致了关机时负载电流的严重过冲，过冲时的电流波形如图7所示。 　　5 过压保护电路 　　稳流型电源若负载发生断路，电流检测电阻两端的电压下降到零，一旦给定值不为零，调节器会使得输出电压急剧飙升至最大值，这对负载连接接触不良时是很危险的。 对LED、半导体制冷等负载来说，过压发生时，首要任务是保护负载，其次是保护开关功率管。为解决以上问题，有两种保护方法同时使用，一是放置双向TVS来实现对瞬间冲击电压的防护。 　　6 结语 　　文中主要讨论了LED电源的几种保护方式，并介绍了一些具体电路。 对一个给定的直流开关电源来说，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。 而电源的可靠性将会影响到LED产品的寿命，因此通常需要用几种保护方式加以组合来构成完善的保护系统，确保直流开关电源的正常工作。 我们将这些措施实际用于驱动LED负载，工作安全可靠。