LED照明驱动电路的设计优化

无论哪种电子设备都需要有电气保护，这对于设备安全运行，延长设备的寿命是非常重要的一种措施，没有安全就没有寿命。LED照明驱动电路通常具有过电压保护电路、过电流保护电路、过热保护电路、开路保护电路、静电放电保护电路等。现将各种保护电路逐一介绍。

1.LED驱动器过电压保护（Overvoltage Protection）电路

LED照明，为防止因电压过高而损坏器具，需要增设过电压保护电路。驱动白光LED主要是正向电流通过器件，可采用恒流或恒压来实现，将白光LED串联一只限流电阻，它将限制通过LED上的电流。当额定电压为3.6V时，会有20mA的电流流过LED，若电压降低4V时，正向电流则下降至14mA，所以说正向电压只要改变10%，正向电流就会出现30%的大幅度变化，将极端影响LED的发光亮度，这是不允许的。比较理想的LED驱动方式采用恒功率源。在出现开路的情况下，恒流的白光LED驱动需要过电压保护。连接器的引脚松脱就会造成开路故障，为了提供恒流，就要增加输出电压，此时若无保护电路，输出电压很快升高，对IC或输出电容造成损害，保护驱动器的最简单的方法是选择过电压保护IC，利用芯片功能来限制最大输出电压，例如TPS 61043具有这种功能。图2-30所示为以一台多功能手机屏幕的驱动器为例，锂电池的供电电压为2.7～4.2V，内置4只串联LED灯，最大正向电流为20mA，这种设计需要20mA最大输出电流和16V电压，负责提供PWM调光功能所需的数字信号，这时真正需要负载切断功能，以便延长和保护电池的使用。TPS 61043完全能满足，它能够提供过负载切断、过电压保护和PWM调光功能。主要挑战在于正确选择外部器件和适当的电路布局，正确的电阻值是由IC的参考电压0.252V除以LED的最大电流20mA来决定，相当于12.6Ω。电感L的选择不仅关系到电源的效率；还将饱和电流的额定值限制到最低，降低功耗。在传统的升压变换器中，输出电感和电容将决定转换器的反馈电路是否稳定。TPS61043含有先进的控制电路，无论电源内外的条件变化，它都能确保电源供电稳定，不用考虑反馈补偿。电路的开关频率f_s是由输入输出电压，负载电流和电感L决定的。计算公式如下：

图2-30 TPS61043过电压保护电路

式中，I_o为LED的工作电流，I_o=20mA；V_o为输出电压，最大值V_o=20V；V_i为输入电压，最小值V_i=2.7V；V_F为保护二极的正向压降V_F=0.4V；I_p为电路峰值开关电流，由控制拓扑决定I_p=0.4A；L为电感值。

选择输入输出电容C₁、C₂后，C₁、C₂的电容量高低，对稳定电源的输入阻抗起到重要作用，若没有输入电容，电源将以脉冲形式从输入端汲取电流，会在输入电源线中产生很大的电压纹波，进而冲击到系统的其他部分。在较高的工作频率下，容抗变得较小，这能降低纹波电压。输出电容C₂选用陶瓷电容。电压保护二极管VD₁选择时应考虑和电感L相同的峰值电流，逆向额定电压必须大于LED的两端正向电压，VD₁选用肖特基二极管较为合适，因为它的反向恢复时间短。

2.LED驱动过电流保护MAX4373电路

MAX4373是过电流保护IC，片内有电流检测放大器、电流比较器。电阻R_SEN为采样电阻，阻值越大功耗也大，设计电路时该电阻应选用锰铜金属膜电阻，也可选用LW贴片式电阻。图2-31所示的开关管选用P沟道功率管MOSFET，进行电路负载过电流保护。当电流负载正常时，输出电压经电阻R₁、R₂分压，分压后的电压小于600mV时，片内比较器输出（6脚）低电平，VT₁导通，这时输入电V_i经VT₁向负载发光二极管供电。当负载电流I_F超过设计电流值时，使2脚的输出分压大于600mV，比较器COUT1输出高电平，VT₁截止，负载失电。由于比较器输出锁存，VT₁一直保持截止状态。当过电流故障排除后，按一下复位键K可重新启动。复位键一般用电子延时开关取代。

过电流保护（Over Current Protection）是一般LED驱动电路不可缺少的，常常因为灯的短路开路引起过电流、过电压。MAX4373是一种低价位微功耗电流检测器集成电路。主要特点是微功耗，工件电流典型值是50μA；工作电压范围宽为2.7～28V，入失调电压低，最大值1mV；电流检测精度为全量程内的2%；内部间隙基准电压原精度为±1.6%；比较器输出锁存；器件有3种不同增益可选择：共模式电压范围宽，为0～28V，并且与电源电压无关。该控制IC所组成的过电流保护器、电流检测及电流监示主要用于笔记本电脑、便携式电池供电系统、智能电池组、充电器、电源管理系统、充电器转换、控制系统等的精密电流源，是过电流保护最为精确的装置。

图2-31 MAX4374过电流保护电路

3.LED驱动过热保护SN3910电路

LED驱动过热进行保护，说到底是LED驱动时，由器件消耗了电力，产生了热量，要将这种热消退，这个过程就是温度补偿，当LED驱动器低于安全温度时，LED驱动器工作在恒流区；当工作温度超过安全工作点时，就立即进入温度补偿区，并实施过温保护，此时LED驱动器自动调低输出电流。美国矽思（Si—EN）微电子公司于2010年推出了带温度补偿的LED驱动器SN3910芯片，它具有恒流驱动、温度补偿、可调光、LED开路保护和关断模式等5种功能，显著地提高了LED驱动的可靠性，延长了LED的使用寿命。

SN3910内部集成了温度补偿电路与外部电路的热敏电阻构成了过热保护电路。SN3910通过不停地检测热敏电阻的阻值，获取LED驱动器的温度信息，电阻值随温度的升高而逐渐减小，当电阻值与温度补偿起始点设定电阻值相等时，SN3910就开始减小输出的平均值电流，以抑制由温度升高使输出电流增大的恶性循环，起到温度补偿的作用。当温度降到安全值时，平均电流又自动恢复到预先设定的恒流值。

图2-32所示为SN3910的典型应用。输入电压V_i=220V（1±15%），FU为1A/250V熔丝管，R_NTC1为热敏电阻，启动电源时限流，C₁为抑制串模干扰的线间电容。整流桥由4只1N4007型1A/1000V硅整流二极管构成。为提高功率因数，利用VD₅～VD₇、C₂、C₃组成无源PFC电路也就是二阶填谷式PFC电路，R_NTC2选用100kΩ（T_A=25℃）负温度系数热敏电阻，R₃采用1.0Ω的1%的金属膜精密电阻，两端并联一只可调的100Ω的电位器R_P，这只电阻是临时的，当控制器稳定后，测量电阻值（两只并联电阻值）换上新电阻。SN3910温度补偿起始点及输出电流下降的斜率可以通过R_TH和R_NTC2来设定。温度补偿的原理如下：由SN3910芯片提供1.2V的基准电压，然后经R_TH和R_NTC2分压，再引入LD脚，LD脚填充电压V_LD，计算如下：

由以上两式可知，当环境温度升高时，R_NTC2的阻值迅速减小，R_NTC2是温度补偿电阻；当V_REF低于1.2V时，R_NTC2温度补偿功能启动，立即通过SN3910的内部电路使输出峰值电流减小，从而达到过温保护的目的。该电路适用于交通指示灯、景观灯等露天照明。(www.xing528.com)

4.LED驱动开路/短路保护TPS40211电路

LED驱动开路保护，经常发生在LED灯串中的某只LED开路或者接触不良时，如果电路发生类似的故障，研发工程师必须设计电路开路或短路保护器件，否则将会毁灭整个LED驱动装置，这是危险的。

我们知道，要保证LED串的亮度恒定，必须使驱动电流可变。使用升压转换器升到可使用的足够高的电压参量，使LED偏置导通，这时在LED端点串接一只检测电阻并将两端的电压作脉宽调制PWM控制输入端的反馈量。如果LED灯串或某段导线发生故障，则电路就会呈现开路负载状况。在这种情况下，电流检测电阻的两端电压下降到零。这时如果增加PWM的导通时间来升高电压会出现失败，只有控制电路将尝试增加LED电流。在大多数情况下，输出电压将急剧升高，会引起输出电容，整流二极管或开关功率管由于电压应力超值而损坏。现使用图2-33所示电路就可以避免出现这种情况，实施开路保护。

升压电路通过测量电阻R₄使LED电流实施电流负反馈控制模式，把输出电压提升到30V，以350mA的调节电流驱动10只LED，串联电阻R₉用来测量并稳定反馈回路的稳定性。在实际应用中，常用0.81Ω的电阻替代。图中的R₉和齐纳二极管VD₂是开路保护电路。

图2-32 SN3910过热保护电路

图2-33 LED驱动MAX3208E开路TPS40211保护电路

电路工作时，LED的工作电流取决于0.26V的PWM控制器内部的参考电压除以R₄的电阻值。在正常情况下，R₄两端的压降为0.26V，这时，处于串联的R₅与R₉的两端没有电压降，串联的电阻用来为开环增益设置，而不影响输出电流的工作调整。VD₂的导通必须要比输出电压高20%，起着过电压保护的功能。否则将失去保护作用。

当LED开路时，VD₂、R₉和R₄成为输出端的负载，控制器将迫使输出电压升高，当输出电压达到36V时，VD₂导通，这时电流通过R₉、R₄流向地，从而将TS上的感应电压升到0.26V，这就向控制器提供了重要的反馈电压，直到输出调整到30V。VD₂的功耗将下降。如果将VD₂接到LED串的两端（除去R₉），在开路期间的总输出电流将经VD₂，这时VD₂无力承受这样大的功率而被立即烧毁。

5.LED照明静电放电MAX3208E保护电路

静电放电保护（Electro Static Discharge Protection）是目前高集成半导体器件制造运输和应用中常见的一种瞬态过电压冲击危险事故，而LED照明系统则须满足IEC 61000-4-2标准的“人体静电放电模式”8kV接触放电，以防止系统在静电放电时有可能导致冲击电压损坏LED驱动器件的可能性。

静电放电的定义为，物体原先已经有静电的电荷不足以放电，当它“陷入”导电性但在电气绝缘物体上，电荷不能在物体上流动，如果带有足够电荷的电气导体靠近，这时电气绝缘物体的电荷产生“跨接”，引起静态放电。它是以极高强度很迅速地发生，产生很高的热量使半导体内部电路损坏。往往这种放电是在测试、运输过程出现。防止或控制静电放电是不可见的，常以3000～5000V的火花一闪而过。因此要求所有与电子器件接触的人员要带上避电器（磁带），一切使用的工具要求有良好的接地，如电烙铁的接地等。

MAX3208E是为防止静态放电在电子设备上而应用的一种保护集成电路。如图2-34所示，供电电压为1.0～5.5V，工作电流为1nA，工作温度为-40～+125℃，内部瞬态电压正向压降为0.8V，反向瞬态电压规定值为±12kV，接触放电电压为±8kV，器件能承受各种静电放电脉冲，包括人体静电放电电压，接触放电电压和气隙放电电压。芯片内部有静电放电瞬态电压抑制器和保护二极管列阵。每个通道包含有一对静电放电二极管，它将静态放电脉冲引到电压抑制器进行钳位分解或通过电源地旁路。

总之，静电放电会给电子产品带来致命的危害，不仅降低了产品的可靠性，增加了维修成本，而且影响欧盟工业标准，所以进行静电放电保护设计是必不可少的。

图2-34 LED驱动MAX3208E静电放电保护电路