基于ADP3806的高功率LED驱动电路设计

许霖霖+罗永道

摘 要： 设计了一种基于ADP3806的高功率发光二极管（LED）的高效驱动电路。ADP3806是一款开关模式电源控制器，拥有双环路恒定电压和恒定电流控制、远程精确电流检测以及关断和可编程可同步开关频率，能提供恒定电流。同时在设计中利用单端原边电感转换器（SEPIC），其可以提供一种可以高于或低于输入电压的输出电压，在适当的占空比下工作，使连续传导模式（CCM）和脉冲宽度调制（PWM）控制变得简单，提高了效率，并且避免由变压器泄漏电感带来的电压尖峰和振铃。从而在需要进行升压和降压转换来同时驱动多个高功率LED的场合，这个设计是非常适合的。

关键词： ADP3806； 高功率LED； SEPIC； 驱动电路

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0148?04

Design of high power LED driving circuit based on ADP3806

XU Lin?lin， LUO Yong?dao

（College of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract： An ADP3806?based high efficiency driving circuit for the high power light emitting diode （LED） was designed. ADP3806 is a switch mode power supply controller， which has double loop constant voltage and constant current control， long?range precision current detection， shutdown and programmable synchronous switching frequency， and can provide constant current. Meanwhile， SEPIC was used in design. Therefore， an output voltage being higher or lower than the input voltage can be provided by SEPIC. Under appropriate duty cycle， continuous conduction mode and the pulse width modulation control become easier， and the efficiency is improved. The voltage spikes and ringing caused by transformer leakage inductance can be avoided. The design is very suitable for the occasions that need to boost and buck conversion to drive multiple high?power LEDs simultaneously.

Keywords： ADP3806； high power LED； SEPIC； driving circuit

高功率LED作为一种半导体光源，具有效率高、寿命长和节能环保等优点[1]，在油田、石化、铁路、矿山、部队等特殊行业、舞台装饰、城市景观照明、显示屏以及体育场照明等，特种工作灯具中具有广泛的应用前景，基于大功率LED发展起来的半导体照明技术已经被公认为是最具发展前景的高技术领域之一[2]。在这些高功率照明应用中，人们考虑使用多种方法来驱动这些照明灯。在本文中，将讨论一种新的驱动方式的拓扑结构，它具有更低的系统成本和更高的效率等效率。

1 驱动电路方案选择

LED是一种电流控制器件，因此设计中，首先需要保证的是流过高功率LED的电流恒定，使用ADP3806能实现恒定电流控制并能实现远程精确电流检测。因此，利用ADP3806，并结合SEPIC设计高功率LED驱动电路。

1.1 ADP3806介绍

ADP3806是一款开关模式电源（SMPS）控制器，拥有双环路恒定电压和恒定电流控制、远程精确电流检测以及关断和可编程可同步开关频率[3]，如图1所示。并且对于不同应用要求，可在各种拓扑结构中配置该控制器，比如升压、降压以及本文中所应用的SEPIC，从而实现高达95%的效率。VCC用于主供电，最小VCC为6.25 V（欠压闭锁UVLO电压）且最大VCC不得超过23 V，导致开关驱动器电压BST为30 V，即结击穿电压。因此VCC范围是6.5～20 V。SYS-为主电源输出电压监测；SYS+为主电源输入电压监测；LIMIT电流门限调整；CT为振荡器外接定时电容；SYNC为振荡器同步和频率选择（接地）；REG为6.0 V电压输出；REF为2.5 V基准电压；[SD]为关闭输入（低电平关闭，高电平开启）；COMP为外部补偿电容；LC为低电流输出；BATSEL为电池电压检测输入；ISET为充电电流大小设计信号输入；CS-为电池电压检测输入；CS+为电池充电电压反馈输入；DRVL为低端驱动器方波输出；BSTREG为7.0 V电压输出；BST为高端驱动器供电；DRVH为高端驱动器方波输出；SW为高端驱动器检测输入点（电流反馈输入）[3]。

图1 ADP3806引脚图

1.2 SEPIC介绍

单端原边电感转换器（SEPIC）属于升降压系列器件中的一种如图2所示。VOUT和VIN具有相同的极性，主要用于VIN可在VOUT上下变化的应用。图中L2的一端接地，其两端的平均直流电压均为0 V。

该方法克服了其他方法中存在的诸多缺点。该设计中使用SEPIC，可以显著减少主开关和整流器开关的电压应力，而不会明显地增加电流应力。可以更好的权衡和选择性价比高的器件组合，增加了MOSFET和肖特基整流器的选择范围，克服整流器通常存在高电压的缺点。适当的而不是极高的PWM占空比，可以实现连续传导模式即CCM工作，从而使反馈环路变得简单，实现简单的电流模式控制。EMI和噪声也得以降低，这是因为开关节点上的峰峰值电压摆幅较低，同时提高了效率，原因在于：适当的占空比，低电压MOSFET和整流器，由于降低峰峰值电压摆幅而减少了开关损耗[4]。此外驱动电路中由于多电感放电通路可能会抑制高频振铃，高频辐射可能会减少，同时也不存在由变压器泄露电感引起的振铃或尖峰；并且不会出现电荷泵常会产生的电流波形失真和电流应力增加的情况，因此该方法属于无电荷泵缺陷的真正开关。

图2 SEPIC转换器

2 高功率LED驱动电路设计

LED驱动电路原理图如图3所示。

设计中，根据不同LED应进行具体配置。为确保VCC引脚处有干净的电压源，所以需在输入源和IC之间使用一个RC旁路网络，去耦电容C1的值可在0.1 μF至22 μF这一范围内。关断控制引脚[SD]接受外部控制逻辑输入，该设计中选择自动启动，则可使用来自VCC的分压器，以确保此引脚的电压低于其限值10 V且高于其逻辑电平2.0 V。连接至CT引脚的电容用于设置开关频率，为了在总的系统物理尺寸和效率之间取得最佳平衡，建议开关频率保持在300～750 kHz范围内。较高开关频率会需要更多的栅极驱动功率并产生更多开关损耗，比如高达1 MHz时，从而导致效率更低，电感的值则可调低以降低系统的物理尺寸和成本[5]。使用较高的开关频率还存在另一弊端，即占空比范围会降低，这样输出电压范围会缩小。 ADP3806中有三个内部低压差（LDO）稳压器，REG，REF和BSTREG是其输出引脚，分别接图中所示容值大小的电容将这些引脚去耦可以确保稳压器的稳定性。ISET引脚电压和电流检测电阻将决定输出电流，因此ISET引脚处需要的电压应从REF引脚即2.5 V精密基准电压源处产生，REF引脚最大输出电流是500 μA。为了产生更高的设置电压，分压器可以接REG引脚为6 V。但注意，REF的精度为1%，REG的精度为3%。在CS+和CS?引脚的两端，应在PCB布局的这些引脚旁放置一个滤波电容约220 nF，以便过滤噪声。

控制器具有同步整流功能，设计中利用这一功能提供最高的功率转换效率。通过不同的电源为控制器和功率级供电，功率级输入电压可以低至6.5 V，最大值不得超过20 V。CS+和CS-之间最大差分输入电压是160 mV。电流检测电阻RCS一定要选取合适阻值，以便最大限度地减少其功率损失以及为控制装置提供充足的信号，且输出电流应为：

[ILED=VISET25RCS] （1）

原理图中的输出电容COUT为可选项。如没有COUT，进入LED的电流是非连续的，按（1-D）的占空比波动，D为PWM控制装置的占空比。如果有COUT，LED中的电流可以变得更加平滑，因此需要合适的输出电容才能实现所需的驱动电流模式。利用输入电容CIN可以吸收输入纹波电流，通常，放置两个10 μF/25 V陶瓷电容就足够了。而电感L决定了纹波电流，为了优化系统尺寸和效率，建议纹波电流为标称输出电流的[13]左右[6]。

设计中，利用主驱动输出DRVH控制主开关SW1，SW2作为二极管开关则用于整流，主开关SW1打开时整流开关SW2会导通，控制器处于关断模式时，实现输出与输入源隔离。为了避免过压输出，可连接电压环路，设置最大容许输出电压即VOUTM。因为内部基准电压为2.5 V，故最大输出电压的设置如式（2）所示：

[VOUTM=2.5ROVPT+ROVPBROVPB] （2）

选择合适的分压器电阻，来设置过压保护点VOUTM。CCH，CCL和RC组成闭环的环路补偿网络。需要对其进行仔细设计，以确保系统稳定性和控制速度[7]。

如果在输出端串联更多的高功率LED，需要更大的电压[8]，则可在SEPIC上增加二极管和输出滤波器得到SEPIC乘法升压转化器，且其电流能保持恒定。如图4所示，L2现在连接至D1和CF1的节点，其两端都具有等于CF1上升压电压的平均直流电压，而非接地。

图4 N=2的SEPIC乘法升压转换器

示例中采用N=2级，电感绕组为分立或耦合（其中绕组电感L1和L2完全相同）。同时可计算出[VCF1]上电压为：

[VCF1=VIN+VOUT-VINN=2] （3）

此时，CCM占空比应为：

[D=VCF1-VINVCF1] （4）

同时，使用如下公式：

[VPEAK=VCF1=VIN+VOUT-VINN] （5）

可以确定N的值，其中VPEAK是Q1的峰值，从而使MOSFET和二极管可以在合理的额定电压下工作，此处二极管最好使用肖特基二极管以减少开关损耗。且该方法能避免电荷泵常见的差分电流尖峰。

在ADP3806上，控制ISET引脚处的电压便可轻松实现亮度控制，因为输出电流IOUT由ISET引脚处的电压VISET设置，原理见式（1）。调节亮度控制常用两种基本方式：第一种是改变ISET引脚处的VISET控制输出电流，采用2.5 V的VREF基准电压的电位计或6 V的VREG供电轨可做到这一点。为了最大限度地缩小电路板空间、避免布局不灵活、保证可靠性，可考虑使用数字电位计而不是相应的机械器件来实现亮度控制[9]，而现在的数字电位计通常有内置去抖器和零电平/中间电平可选预设功能，不仅可以进行亮度控制，还提高了电路灵活性。这种控制简单，但存在低效问题，因为LED的效率在满电流额定值条件下往往比较高，但在电流降低时效率就会比较低[10]。为了解决这种问题，可采用PWM亮度控制方案。即定期将ISET引脚短接到AGND，而VISET显示了一种PWM模式，与输出电流IOUT一样。把开漏MOSFET连接至ISET引脚，输出的亮度会由数字信号控制，微控制器可生成该信号。控制器对控制信号做出反应需要一段时间，故亮度控制PWM信号频率应远远低于控制环路的带宽，因而比开关频率要慢得多[11]。图5显示了典型高亮度LED的效率和其驱动电流的关系，其中IOPT是发光效率最高时的最佳驱动电流点。效率优化型亮度控制方法是通过PWM电流模式来驱动LED。电流以D的占空比从0变为IOPT。这导致在连续IOPT驱动时有最大发光输出。当需要输出更多光时，适当提高驱动电流。

图5 典型高亮度LED的效率曲线

3 结 语

本文主要介绍了一种基于ADP3806开关模式电源控制器，设计了高功率LED驱动电路，该电路实现了恒定电压和恒定电流控制，远程精确的电流检测，减少损耗的同时提高了效率，并使EMI和噪声大大降低。

参考文献

[1] 吴蓉，邓茂林，付贤松.基于MAXl68320驱动器的大功率LED电源[J].集成电路设计与应用，2011（4）：296?299.

[2] 李祥，曾以成，石合地.带过温保护功能的LED恒流驱动电路设计[J].电路与系统学报，2013（2）：108?111.

[3] Analog Devices， Inc. Driving high power LED [R]. America： Analog Devices， Inc，2013.

[4] Analog Devices， Inc.在减少应力的同时获得更大升压：SEPIC乘法升压转换器[M]. America：Analog Devices， Inc，2012.

[5] 周志敏，周纪海，纪爱华.开关电源使用技术[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[6] PRESSMAN A I， BILLINGS K， MOREY T. 开关电源设计[M].王志强，肖文勋，虞龙，等译.北京：电子工业出版社，2010.

[7] 刘仁贵，侯成英.基于DC/DC开关稳压器的大功率LED恒流驱动设计[J].电子设计工程，2012（5）：97?99.

[8] 罗静华.大功率LED驱动控制技术[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[9] 陈浩.大功率LED驱动及智能控制系统设计[D].武汉：华中科技大学，2011.

[10] 江磊.基于高效率LED驱动器及ZigBee网络的智能照明控制系统[D].上海：复旦大学，2010.

[11] 郑晓东.大功率照明白光LED CMOS恒流驱动电路设计与研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[12] 段华栋，苏成悦，周镇，等.基于滞环跟踪控制的LED驱动电路设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：134?136.

图5 典型高亮度LED的效率曲线

3 结 语

本文主要介绍了一种基于ADP3806开关模式电源控制器，设计了高功率LED驱动电路，该电路实现了恒定电压和恒定电流控制，远程精确的电流检测，减少损耗的同时提高了效率，并使EMI和噪声大大降低。

参考文献

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图5 典型高亮度LED的效率曲线

3 结 语

本文主要介绍了一种基于ADP3806开关模式电源控制器，设计了高功率LED驱动电路，该电路实现了恒定电压和恒定电流控制，远程精确的电流检测，减少损耗的同时提高了效率，并使EMI和噪声大大降低。

参考文献

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