LED电源的四种保护电路设计

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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、关机电流过冲保护电路

稳流型开关电源在开机和关机时容易造成电流过冲,LED 之类的负载对ms 级的电流过冲都是不允许的,瞬间大电流的冲击有可能损坏LED 器件,因此必须严格防止电流过冲。

3.1 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.

3.2 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。

图8 为关机电流过冲保护电路,该电路能在3ms 内迅速检测出交流电源是否关闭,并且在电源关闭后强行将调节器给定输入端的电压拉低,防止电流过冲,具体动作过程如下。

光耦U1、U 2 随被测电源的正负半周交替导通,当A 点交流电压大于光耦中发光二极管的导通电压Von 时,光耦开启,C3通过光耦中三极管放电,使B 点的电压达不到场效应管的开启电压; 当交流电压小于Von 时,光耦不导通,C3充电,B 点的电压增加,此时应使C3的电压上升到场效应管阈值的时间大于光耦关闭的时间,以保证Q2不导通。在t1时刻交流电源断开,光耦输出呈高阻态,C2中存储的电荷经R1向C3充电,C3上的电压迅速增加,当B 点电压大于场效应管的开启电压时,场效应管Q2导通,导通后可迅速将Vs 拉低,图8中Vs 是调节器的给定输入端电压。关机瞬间负载电流和图8中B 点的波形如图9.

改变R1和R4的参数,可以改变给C3充电的时间。R4选用较大阻值的,可以提高C3上的电压,同时延长C3的放电时间。C2的大小可以决定交流电源断电后维持该电路工作的时间。综上所述,设置合理的参数,便可保证在主电路电源没有完全关闭的情况下,Q2一直导通,即误差放大器的给定输入端一直为零,避免了电流过冲。

4 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*大值,这对负载连接接触**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。

TVS 是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以纳秒级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲损坏。还可将电阻与TVS 串联,当TVS 未击穿时,电阻上没有电流,若发生过压,TVS被击穿,电阻上有电流流过,产生压降,以此作为保护信号,送到PWM 芯片的shutdown 端,封锁PWM 脉冲输出。另外一种方法是当负载断路时使电源立即停止工作,如图10所示,图中R24和R27给运放同相输入端提供固定的小电压U+.R26为取样的负载电流输入, 当负载发生断路时,运放反相输入端电压U-=0, 因而U+>U-, 运放输出电压为高电平,给出空载保护信号。同时将时间常数R30×C15与电源给定的时间常数配合调节,使得空载保护不发生误动作。

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。

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