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基于NUD4001线性大功率LED恒流驱动芯片的大电流LED灯驱动器设计方案

2017-04-07
类别:LED应用
eye 909
文章创建人 拍明芯城

 


 

方案概述

方案介绍:

 

NUD4001是安森美半导体 (ON Semi) 开发的低成本、低电压,大电流线性LED 灯驱动器,只需一个电阻即可设置所需要的恒定驱动电流,其最大值可达 500mA,器件的最大输入电压为 30V,适合驱动 1-7 个大电流的 LED 灯。本设计方案应用 NUD4001 驱动 3 1W 大电流 LED 等,电路极其简单。

 

大电流LED灯驱动器


优势:

 

Vin = 12VDC 或 9VACIout = 350mA, 驱动 3 1W LED

 

应用领域:

 

工业现场总线电源驱动的小型局部照明灯,带有后备电池的应急灯,汽车中的转向灯、尾灯、车内照明灯。

 

示意图:

大电流LED灯驱动器设计方案

 

NUD4001是安森美公司的线性大功率LED恒流驱动芯片,它的输入电压最大可达30V,输出最大电流可达500mA,静电防护电压可达1000V。NUD4001的内部结构如图1所示,它通过连接在第1引脚和第3引脚之间的电阻Rext来设置输出电流的大小。输出电流Iout0.7/ext,从芯片的5~8引脚同时输出。芯片的第2引脚为扩流用。该芯片外围需的元件非常少,特别适用于手持设备、汽车照明及电路所需空间紧凑的场合。

 

NUD4001芯片内部结构


图1 NUD4001芯片内部结构

1、恒流驱动电路设计

NUD4001的恒流驱动电路如图2所示,12V的直流电源通过芯片和扩流电路驱动3个标称功率为2W 的大功率LED,驱动电流为600mA。图中R4连接NUD4001的Vin和Rext端,用于设置芯片的输出驱动电流。根据芯片说明R40.7(V)÷0.6(A)=1.17Ω,这里取1.2Ω。由于 NUD4001最大输出电流为500mA,因此需要增加扩流电路来增大输出电流。D1Q2和电阻R3组成了扩流电路。此时NUD4001芯片作为控制器控制流过大功率三极管TIP32的电流。二极管D1和电阻R3用于提供三极管的基极电流,二极管D1上的压降使了三极管的基极和发射极之间有足够大的导通电压,保证三极管工作在导通状态。三极管工作时,将承担绝大部分的LED驱动电流,需要安装散热片。Q1NPN二极管2N2222,用于驱动电路的PWM调光。当PWM信号输入为高电平时,二极管Q1导通,NUD4001的接地端连接到地,芯片正常工作,向LED输出驱动电流;当PWM信号为低电平时,Q1截止,NUD4001GND端连接到高电平,芯片停止工作LED的驱动电流被关断。通过调整PWM 信号单位周期内的导通时间,即调整占空比就可以控制LED的平均驱动电流了。电阻R5连接LED的输入与地之间,他的作用是,当LED迅速关断时,让电路中电容的电荷从R5迅速放电,避免了LED关断后的余辉效应,使PWM 的调光更准确。

 

 

NUD4001恒流驱动电路


图2  NUD4001恒流驱动电路

 

2、PWM波形发生电路

PWM波形发生电路如图3所示。采用常用的定时芯片NE555和外围电路连接成多谐振荡器。电阻R6R7和电容C3组成RC充放电回路,电容C3的电压在NE555的2个内部比较器的基准电平之间反复振荡。从NE555的第3引脚输出高低电平的方波。由于RC充放电回路中分别接入了2个二极管D2D3,使得RC充放电电流分别流过不同的路径。通过调节电位器R7的阻值,就可以同时调整电容C3的充、放电时间常数,从而调整NE555输出方波的高电平和低电平时长,即调整波形的占空比。由于电容C3充放电电流过的电阻总阻值不变,因此电路充放电的总时间长度不变,即输出方波的周期不变,为T=(R6R7C3ln2

PWM波形频率的选取需要折中考虑2个方面,如果频率太低,则人眼会感觉到LED灯光的闪烁,频率至少要大于50Hz;若频率太高,则会对电路产生额外的EMI干扰。这里选取R61KΩ,R750KΩ,电容C30.1μFNE555输出的 PWM信号频率为f=1/R6R7C3ln29Hz。满足上述要求。

 

PWM波形发生电路


图3 PWM波形发生电路

3、实验测量

当LED点亮,输出100%的电流时,测量得:电源输入电压为直流12V,输入电流为773mA,3个并联的LED电压为10.41V,流过LED的电流为636mA。驱动电路自身功耗约为:12×0.773-10.41×0.6362.6W,效率为71.4%。观测NE555产生的PWM 波形和NUD4001的输出波形如图4所示。图中,上面的波形为NE555产生的PWM波,下面的为NUD4001输出给LED的电压波形图。从图中看出,当PWM为高电平时,NUD4001的第4引脚接地,NUD4001正常工作;当PWM 为低电平时,NUD4001GND端相当于悬空,不输出电流,与前面的分析一致。

WPM 信号波形和NUD4001输出波形


 

图4WPM 信号波形和NUD4001输出波形

 

4、结语

重点介绍了基于NUD4001芯片的LED线性驱动电路设计。用TIP32功率三极管放大LED的驱动电流,用NE555芯片产生PWM 调光信号。对电路参数进行了测量,结果表明LED的平均驱动电流与PWM信号的占空比呈现很好的线性关系。与开关型驱动电路相比,LED线性

驱动电路在效率上不具备优势,但线性驱动的噪声和纹波电流更小,电路所用的元器件也更少,电路结构更简单,体积更小,成本更低。该电路经过适当改进,可适用于需要结构紧凑、对干扰噪声要求严格、低成本及手持设备等场合。


LED灯驱动器电路原理图

 

一个用于2并5串(5S2P)组合的AR111 LED灯的驱动器电路原理图。MAX16819工作在buck-boost模式,电路工作电压为12VAC,能够为每串LED提供平均500mA驱动电流。本电路以MAX16819为主控制器,可驱动总共10只LED-2串并联、每串5只LED.输入电压为12VAC、容差±10%.肖特基二极管D1至D4构成全波整流电路,电容C1至C8用于电压滤波。根据对LED闪烁的要求,可以去掉一些滤波电容以降低成本。这些电容中包含一个钽电容,具有较好的温度特性。 

  由于LED按照5S2P排列,不可能达到完全匹配的电流。假设LED灯具有良好的匹配度,使电流差异降至最小。控制每串LED的数量及混合架构的灯管数量,有助于减轻电流匹配度的影响。如下图所示。 

   

LED灯驱动器电路原理图


LED灯驱动电源使用注意事项


1、放弃4路以上输出,发展单路或两路输出,放弃大电流和超大电流,发展小电流。输出路数越多越复杂,不同出路之间的电流干扰解决起来成本很高,如不解决则故障率较高。另外输出路数越多则总输出电流也就越大,而电流是发热的主要原因,电压本身不直接导致发热,简单来说发热量与电流的平方成正比,也就是说电流增加到原来的2倍的话,发热量将增加到原来的4倍,电流增加到原来3倍,发热量将增加到原来9倍。综上所述,单路或两路输出的LED灯电源故障率会降低很多。


2、智能控制是LED灯具的优势之一,而电源是智能控制的关键。

智能控制在LED路灯和LED隧道灯照明应用上条件最成熟效果最明显,智能控制能在不同时间段、根据道路车流密度来实现灯具功率的无级控制,既满足应用要求,又实现巨大的节能效果,可以为公路主管单位节省大量经费。在隧道照明上的应用不但可以节能,还可以按照隧道外的亮度情况自动调节隧道出入口亮度,给司机提供一个视觉过度阶段,以保证驾驶安全。


3、放弃大功率、超大功率,选择较高稳定性的中小功率电源。

因为功率越大,发热量越大,里面的零部件也越紧凑,不利于散热,而温度正是电源发生故障的罪魁祸首。再者,小功率电源相对来说发展的较为成熟,稳定性和成本方面都有优势。其实很多大功率电源方案都没有经过时间验证及实践证明,都是匆匆上马的项目,都是实验性的产品,因此故障层出不穷。相比之下中小功率led内置驱动电源因发展较早,技术方案要成熟的多。


4、散热和防护是电源故障的主要外部因素。

不仅电源本身会发热,灯具也会发热,这两种热源如何合理的散发出去是灯具设计工程师必须考虑的问题,一定要防止热量的过度集中,形成热岛效应,影响电源寿命。采用分离式电源方案是一个好的选择。


5、维护的可行性。

电源的故障问题不可能完全避免,只有把电源的更换做的跟常规照明的光源的更换那么简便时,才能是用户用的开心,即便是电源坏了,心情也不会太差,而用户的心情好坏决定着tuv认证电源的命运。


6、防护性能。

牛宝电源指出防护问题也很重要,水分的渗透可能引起电源的短路,外壳上的沙尘会影响电源的散热,暴晒则容易引起高温和电线及其他元器件的老化,从实际使用中的经验来看,旋转接线插头的故障率较高,多数为漏水造成故障。


7、模块化设计。

模块化设计已经成为当今的潮流,必须在模块电源一体化上想办法,,如果电源能用插拔的方式解决维护问题,一定会受到用户的欢迎,同时还需建立接口标准化,让不同厂家的美规ul认证电源能够通用。



责任编辑:Davia

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