高亮LED驱动芯片HV9930的应用
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2010年10月第21卷第5期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO Oct.2010Vol.21No.5高亮LED 驱动芯片HV9930的应用*钱平1郭茂派2(1.上海应用技术学院,上海200235;2.安徽工业大学电气信息学院,安徽马鞍山243002)摘要:本文介绍了一款高亮LED 驱动芯片HV9930,对HV9930的特点及性能作了详细说明,用Cuk 变换器为主电路,以HV9930为控制芯片,设计了一款高亮LED 驱动电路,该电路能在较宽的输入电压范围内保持输出电流的稳定,实现了LED 的可靠照明。
关键词:Cuk 变换器;HV9930;LED 驱动Application of HV9930for LED DriverQian Ping 1Guo Maopai 2(1.Shanghai Institute of Technology ,Shanghai 200235;2.Anhui University of Technology ,Maanshan243002)AbstractAn IC HV9930used for LED driver is introduced hereof.The feature and performance of the chip is studied specifically.Adopting Cuk converter as the main circuit ,with resort to HV9930,A circuit is designed for LED driver.The circuit is capable to maintain output current stable while input voltage varies in considerable amount.Key words :Cuk converter ;HV9930;LED driver*上海市科委基金资助项目(0853*******)引言传统的白炽灯照明效率低、耗电高;荧光灯可以省电,但使用寿命短、易碎,废弃物存在汞污染;高强度气体放电灯存在效率低、耗电高、寿命短等缺点。
在同样亮度下,LED 灯的电能消耗仅为白炽灯的1/8。
LED 被普遍认为是一种取代白炽灯,荧光灯等传统光源的新型光源。
目前,LED 照明的应用主要集中在两个方面:一个是低亮度应用场合,比如便携式电子产品的液晶显示屏的背光照明;另一个是高亮度照明的应用场合,比如大平面液晶的背光照明、家用及户外照明等。
对于大功率的照明应用场合,LED 在功耗和寿命上面的优势很明显,因此对LED 照明及其驱动电源的研究很有必要。
驱动LED 有多种方法,其中最简单的方法就是将LED 与限流电阻串联,再以电压源供电,对于小功率的LED ,这种方法很合适,但驱动大功率LED 时就会产生很多问题。
事实上,LED 的伏安特性与结温有关。
温度越高,LED 的等效电阻越小,这意味着用上述方法驱动LED 时,随着结温的升高,流过LED 的电流会越来越大。
如果驱动电流得不到控制,LED 很容易烧毁,即使没有烧毁,也将因为工作在额定状态之上而大大缩短寿命。
所以,驱动大功率LED 时电流控制是必需的。
此外,LED 的光通量也直接与电流相关,所以控制LED 的驱动电流,光通量也将得到控制。
1驱动电路的选择对于LED 照明采用铅酸蓄电池供电的场合,使第21卷第5期钱平等:高亮LED 驱动芯片HV9930的应用79用Cuk 电路驱动LED 非常合适,这是因为Cuk 变换器既能升压也能降压,比Buck 和Boost 电路都要灵活,能适应更大的电压调整范围,其次Cuk 电路又可能使输入电流和输出电流都实现连续,而且增加电感L 1和L 2的值,可使交流纹波电流的值为任意小,减小输入电流纹波可以使得蓄电池有更长的寿命,减小输出电流纹波则可减小LED 受到的冲击。
Cuk 电路如图1所示:图1Cuk 电路功率开关管导通时,输入电压加到电感L 1两端,其电流近似线性增加,同时电容C 1经Q 1对L 2充电,其电流也近似线性增加,期间二极管D 2因反向偏置而截止,如图2所示:图2Q 1导通时等效电路当开关管关断时,电源和电感L 1叠加对电容C 1充电,同时电感L 2经二极管D 2给LED 提供能量。
此过程中,电感L 1,L 2的电流均减小。
如图3所示。
图3Q 1关断时等效电路可见,电容C 1既处于输入回路之中又处于输出回路之中,起到能量传递的作用,同时输出电压的极性和输入电压极性是相反的。
2HV9930芯片HV9930是SUPERTEX 公司推出的一款变频PWM 控制芯片(见图4)。
该芯片使用滞回电流模式控制(HYSTERETIC CURRENT MODE CONTROL ),在无需复杂辅助回路条件下能够产生快速的瞬间响应,特别适于铅酸蓄电池供电的LED 驱动控制。
图4HV9930结构图芯片内部包含两个滞回比较器,一个控制输入,一个控制输出,两个比较器的结构相同,带100mV 的滞回环,当GATE 脚输出为低电平时,比较器的反相端与100mV 连接;当GATE 脚输出为高电平时,比较器的反相端与GND 连接。
两个比较器的输出施加给与门,与门的输出用于控制外部的功率开关管。
HV9930通过检测CS1,CS2引脚上的电位,结合片内的控制逻辑产生PWM 信号。
CS1,CS2脚上的电位是与采样电阻上流过的电流相关的,所以芯片能够控制输入和输出侧的电流。
输入侧比较器仅在启动和过载情况时起作用,将输入电流限定在一定的数值。
当电路稳定工作时,输入电流是小于设定的电流值的,该比较器的输出为高,因此与门的输出就由输出侧比较器的输出值决定。
3引脚说明尽管芯片的控制逻辑比较复杂,但是对使用者来说十分方便,它的管脚少,通过合适的选取外围几个80照明工程学报2010年10月元件,就可以实现控制目标。
各引脚说明见表1。
表1各引脚说明引脚名称功能1V IN 输入端2CS1输入比较器同相输入端3GND 公共地4GATE PWM 信号输出端5PWMD 低频PWM 调光输入端,也是使能输入端,若该引脚接地,HV9930不工作6VDD 7.5V 电压输出端,该引脚需接0.1μF 以上的电容7CS2输出比较器同相输入端8REF1.25V 电压输出端,可为外部电路提供1mA 的电流4应用电路如图5所示,R CS1为采样电阻,电流变化时R CS1上的压降相应变化,R CS1,R S1和R REF1用来设置输入电流的上下限值。
芯片CS1引脚上的电位与它们的关系为V CS1=﹛(V REF -U S )*R S1/(R REF1+R S1)﹜+U S ,由于CS1脚的电位在0 0.1V 间变化,所以电流I 的变化量也被限制在一定的范围内。
输出侧的控制方式与输入侧是相同的。
可以看出,输出电流的大小与输入电压的大小没有直接联系,芯片可以在很宽的输入电压范围内保持输出电流的稳定。
图5驱动电路其中R D -C D 构成阻尼电路,当控制量是输出电流时,Cuk 变换器是内在不稳定的,未受控制的输入电流会引起L 1-C 1的无阻尼振荡,电容C 1两端将产生过高的电压,为了防止振荡,在电容C 1两端接有R D -C D 构成的阻尼电路,该阻尼电路有助于电路的稳定工作。
输出端的齐纳二极管D3用作过电压保护,当出现负载断路情况时,齐纳二极管把输出电压钳位在设定的数值,流过二极管的电流则与电阻R CS2和R S2A 有关。
5实验结果实验电路的具体参数为:L 1=82μH ,L 2=4.65mH ,R CS1=0.3,R S1=4.4K ,R REF1=17.2K ,R CS2=1.5,R S2=R S2A +R S2B =3.3K ,R REF2=15.2K ,R D =7,C D =11μF ,C 1=0.22μF ,C 2=0.1μF ;LED 的额定电流为150mA ,6只串联。
图6分别显示了输入电压为12V ,24V 时芯片GATE 脚的输出波形和输出采样电阻R CS2上的电压波形。
图6实验波形图GATE 脚输出波形中,每格为20μS ,可见,当输入为12V 时,门极输出的信号周期为40μS ,占空比为50%,输入为24V 时,门极信号周期为28μS ,占空比为30%,说明随输入电压的变化,驱动信号的频率在变化,体现了该芯片采用的是变频PWM 控制。
由于LED 和采样电阻是串联的,采样电阻上的电压体现了LED 的电流。
从采样电阻的电压波形可以看出,输入电压在12V 和24V 两种情况下,输出电流的最大值,最小值,纹波均近似相等,体现了在输入电压变化时,芯片对输出电流的稳定控制。
(下转第85页)第21卷第5期高京泉等:LED路灯散热问题研究及设计85表37月20日照度测试值12345678910111213141516171819202122232425262728293031 115.315.415.114.2131210.89.99.38.67.87 6.8 6.1 5.8 5.7 5.86 6.2 6.77.17.88.79.310.511.913.114.315.21616 2161615.714.813.712.611.510.510.298.47.57 6.1 5.9 5.8 5.86 6.4 6.87.68.29.41011.5131415.416.716.817 315.615.715.114.313.912.411.410.410.18.98.27.57.2 6.3 6.16 6.1 6.1 6.4 6.87.68.29.39.911.312.314.214.816.316.217 414.514.614.313.712.811.710.79.89.88.48.47.3 6.9 6.466 5.96 6.3 6.77.288.69.310.611.71314.314.715.415.9 512.913.11312.911.810.8108.88.27.67.4 6.9 6.46 5.9 5.6 5.6 5.86 6.3 6.97.48.18.69.710.511.712.713.613.514.6 611.911.211.51110.610.99.28.37.77.1 6.7 6.4 6.3 5.5 5.3 5.3 5.4 5.4 5.7 5.9 6.5 6.97.488.99.410.811.612.912.112.3 78.88.78.68.48.27.87.2 6.5 6.4 5.9 5.8 5.6 5.4 5.25 4.95 5.1 5.2 5.5 5.8 5.8 6.2 6.87.57.98.49.39.59.810表410月22日照度测试值12345678910111213141516171819202122232425262728293031 1151515141312119.38.88.37.3 6.7 6.3 5.9 5.8 5.7 5.8 5.76 6.7 6.97.48.19.210111313141515 21616151514131110118.887.486 5.8 5.6 5.7 5.9 6.1 6.57.37.99.11011131315171617 315151514141212109.88.97.88.77.9 6.16 5.6 5.6 5.9 6.1 6.77.27.999.411121414161516 4141414131211119.48.57.98.57.97.7 5.8 5.9 5.8 5.4 5.76 6.4 6.97.48.29.19.9111213141415 51212121211109.78.687.87.57.37.2 5.6 5.7 5.4 5.4 5.5 5.8 6.1 6.577.58.29101112131313 61111111010108.487.47 6.4 6.1 6.3 5.3 5.1 5.3 5.2 5.4 5.4 5.8 6.1 6.777.68.38.31011111111 78.68.48.58.27.97.9 6.9 6.3 6.1 5.7 5.5 5.3 5.1 5.5 4.9 4.9 5.1 5.1 5.2 5.4 5.66 6.57.17.27.28.78.78.88.99.4定点测试,照度值在9.2 9.5之间波动,表4为2008年10月22日的照度测试值。