引言
近年來(lái),，隨著LED技術(shù)的日趨成熟,，LED光源因其具有使用低壓電源、耗能少,、適用性強(qiáng),、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時(shí)間短,、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越廣泛地使用,。 LED電源大都采用開關(guān)電源技術(shù)，輸出多為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源即恒流驅(qū)動(dòng) ,。根據(jù)LED的伏安特性,，電壓的微小變化可導(dǎo)致電流的很大變化，有可能損壞LED, 且開關(guān)電源中控制電路比較復(fù)雜,，晶體管和集成器件耐受電,、熱沖擊的能力較差。因此驅(qū)動(dòng)電源的可靠性影響了LED應(yīng)用產(chǎn)品的壽命,，為了保護(hù)開關(guān)電源自身和負(fù)載的安全,，延長(zhǎng)使用壽命，必須設(shè)計(jì)安全可靠的保護(hù)電路,。
1 直通保護(hù)電路
半橋和全橋是開關(guān)電源常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，“直通”對(duì)其有很大的威脅,，直通是同一橋臂兩只晶體管在同一時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。 在換流期,，開關(guān)電源易受干擾而造成直通,，過(guò)大的直通電流會(huì)損壞用于逆變的電力電子器件。一旦出現(xiàn)直通現(xiàn)象,，須盡快檢測(cè)到并立即關(guān)斷驅(qū)動(dòng),，以避免開關(guān)器件的PN 結(jié)積累過(guò)大的熱量而燒壞。這里利用雙單穩(wěn)態(tài)集成觸發(fā)器CD4528設(shè)計(jì)了一種針對(duì)全橋和半橋的直通檢測(cè),、保護(hù)電路,。
CD4528含兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其真值表如圖1,。芯片3腳與13腳分別為其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)獨(dú)立單穩(wěn)態(tài)電路的Clear 端,，5腳和11腳為單穩(wěn)態(tài)的B輸入端，4腳與12腳為單穩(wěn)態(tài)的A輸入端,。B端接高電平,，只有當(dāng)Clear端為高電平時(shí)，A端輸入的上升沿觸發(fā)才會(huì)有效,。
PWM1與PWM2為PWM芯片輸出的兩路互補(bǔ)脈沖信號(hào),，主電路（ 見(jiàn)圖2）中Q1、Q4的驅(qū)動(dòng)與圖3中PWM1同步,，Q2,、Q3的驅(qū)動(dòng)與PWM2同步。 在A,、B,、C和D4點(diǎn)進(jìn)行電流上升率采樣然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并分別給圖3中的直通信號(hào)1與直通信號(hào)2,。
主電路中的左右橋臂對(duì)稱,，就左橋臂的直通保護(hù)進(jìn)行分析。 正常狀態(tài)下,，當(dāng)Q1,、Q4導(dǎo)通時(shí)，PWM1為高電平,，PWM2為低電平,，3腳高電平輸入有效，A點(diǎn)和D點(diǎn)沒(méi)有電流流過(guò),，不會(huì)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài),；雖然B點(diǎn)和C點(diǎn)采到了正常輸出的上升沿信號(hào)，但是13 腳低電平時(shí)輸入無(wú)效，所以不會(huì)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài),，沒(méi)有保護(hù)信號(hào)輸出,； 而在直通時(shí)，Q3由于某種原因誤導(dǎo)通了,，A點(diǎn)將檢測(cè)到很大的電流上升率并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),； 此時(shí)PWM1為高電平，圖3中左邊的單穩(wěn)態(tài)被觸發(fā)產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)送到PWM 芯片的shutdow n 端,，封鎖PWM 脈沖輸出,。
2 過(guò)流保護(hù)電路
當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過(guò)載或者控制電路失效等意外情況時(shí),，會(huì)引起流過(guò)開關(guān)管的電流過(guò)大,，使管子功耗增大、發(fā)熱,，若沒(méi)有過(guò)流保護(hù)裝置,，大功率開關(guān)管就可能損壞； 調(diào)節(jié)電路失效還可能導(dǎo)致LED過(guò)流損壞,。 過(guò)流保護(hù)一般通過(guò)取樣電阻或霍爾傳感器等來(lái)檢測(cè),、比較，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù),，但它們都有體積大和成本高的缺點(diǎn)。
這里采用如圖4的方法,，在正激變換器扼流圈放置相同匝數(shù)的線徑較細(xì)的線圈,。 這兩個(gè)繞組是磁平衡的，它們之間本應(yīng)沒(méi)有電壓差,。 但是主繞組有直流電阻,，大電流時(shí)產(chǎn)生了微小的電壓差，該電壓差由負(fù)載電流決定,。這個(gè)微小的電壓差被運(yùn)放檢測(cè),，并且通過(guò)調(diào)節(jié)Rx可以設(shè)置電流限制。該電路的缺點(diǎn)是電流限制不是很精細(xì)的,，這是因?yàn)殂~電阻在溫度每上升10℃時(shí)增加4%,。但是這個(gè)電路依然可以滿足我們的設(shè)計(jì)要求。
3 開,、關(guān)機(jī)電流過(guò)沖保護(hù)電路
穩(wěn)流型開關(guān)電源在開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)容易造成電流過(guò)沖,，LED之類的負(fù)載對(duì)ms級(jí)的電流過(guò)沖都是不允許的，瞬間大電流的沖擊有可能損壞LED器件,，因此必須嚴(yán)格防止電流過(guò)沖,。
3.1 開機(jī)電流過(guò)沖保護(hù)
開機(jī)時(shí)，由于電源濾波電容大，以及各延遲環(huán)節(jié)使得電流采樣反饋值與給定值在調(diào)節(jié)器輸入端不同,，這會(huì)使得負(fù)載電流上升過(guò)沖,，實(shí)測(cè)過(guò)沖波形如圖5所示。 為了解決這一問(wèn)題,，可以將調(diào)節(jié)器給定端RC 的值適當(dāng)加大,，調(diào)節(jié)以后的開機(jī)電流沒(méi)有發(fā)生過(guò)沖，波形如圖6.
3.2 關(guān)機(jī)電流過(guò)沖保護(hù)
在我們?cè)O(shè)計(jì)的30A/20V開關(guān)型穩(wěn)流電源中,，采用控制電路單獨(dú)供電,。主電路的濾波電容在工作時(shí)存儲(chǔ)了大量的電能，切斷總電源后,，其中存儲(chǔ)的電荷持續(xù)數(shù)秒才能放完,。 所以關(guān)機(jī)后單獨(dú)供電的采樣電路先關(guān)而主電路延遲關(guān)閉。調(diào)節(jié)器的給定輸入端由主電路供電,，即關(guān)機(jī)后調(diào)節(jié)器的采樣輸入端先降低,，給定端緩慢降低，于是其輸出誤差電壓增大,，控制芯片增加PWM 的占空比,，由此導(dǎo)致了關(guān)機(jī)時(shí)負(fù)載電流的嚴(yán)重過(guò)沖，過(guò)沖時(shí)的電流波形如圖7所示,。
圖8 為關(guān)機(jī)電流過(guò)沖保護(hù)電路,，該電路能在3ms內(nèi)迅速檢測(cè)出交流電源是否關(guān)閉，并且在電源關(guān)閉后強(qiáng)行將調(diào)節(jié)器給定輸入端的電壓拉低,，防止電流過(guò)沖,，具體動(dòng)作過(guò)程如下。
光耦U1,、U 2 隨被測(cè)電源的正負(fù)半周交替導(dǎo)通,，當(dāng)A 點(diǎn)交流電壓大于光耦中發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓Von時(shí)，光耦開啟,，C3通過(guò)光耦中三極管放電,，使B 點(diǎn)的電壓達(dá)不到場(chǎng)效應(yīng)管的開啟電壓； 當(dāng)交流電壓小于Von時(shí),，光耦不導(dǎo)通,，C3充電，B點(diǎn)的電壓增加,，此時(shí)應(yīng)使C3的電壓上升到場(chǎng)效應(yīng)管閾值的時(shí)間大于光耦關(guān)閉的時(shí)間,，以保證Q2不導(dǎo)通。 在t1時(shí)刻交流電源斷開,，光耦輸出呈高阻態(tài),，C2中存儲(chǔ)的電荷經(jīng)R1向C3充電，C3上的電壓迅速增加，當(dāng)B點(diǎn)電壓大于場(chǎng)效應(yīng)管的開啟電壓時(shí),，場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通,，導(dǎo)通后可迅速將Vs 拉低，圖8中Vs是調(diào)節(jié)器的給定輸入端電壓,。 關(guān)機(jī)瞬間負(fù)載電流和圖8中B點(diǎn)的波形如圖9,。改變R1和R4的參數(shù)，可以改變給C3充電的時(shí)間,。 R4選用較大阻值的,，可以提高C3上的電壓，同時(shí)延長(zhǎng)C3的放電時(shí)間,。 C2的大小可以決定交流電源斷電后維持該電路工作的時(shí)間,。 綜上所述，設(shè)置合理的參數(shù),，便可保證在主電路電源沒(méi)有完全關(guān)閉的情況下,，Q2一直導(dǎo)通，即誤差放大器的給定輸入端一直為零,，避免了電流過(guò)沖,。
4 過(guò)壓保護(hù)電路
穩(wěn)流型電源若負(fù)載發(fā)生斷路，電流檢測(cè)電阻兩端的電壓下降到零,，一旦給定值不為零,，調(diào)節(jié)器會(huì)使得輸出電壓急劇飆升至最大值，這對(duì)負(fù)載連接接觸不良時(shí)是很危險(xiǎn)的,。 對(duì)LED,、半導(dǎo)體制冷等負(fù)載來(lái)說(shuō)，過(guò)壓發(fā)生時(shí),，首要任務(wù)是保護(hù)負(fù)載，其次是保護(hù)開關(guān)功率管,。
為解決以上問(wèn)題,，有兩種保護(hù)方法同時(shí)使用，一是放置雙向TVS來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬間沖擊電壓的防護(hù),。
TVS是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件,。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以納秒級(jí)的速度,，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值,，有效地保護(hù)電子線路中的元器件免受各種浪涌脈沖損壞,。 還可將電阻與TVS串聯(lián)，當(dāng)TVS未擊穿時(shí)，電阻上沒(méi)有電流,，若發(fā)生過(guò)壓,，TVS被擊穿，電阻上有電流流過(guò),，產(chǎn)生壓降,，以此作為保護(hù)信號(hào)，送到PWM 芯片的shutdown 端,，封鎖PWM脈沖輸出,。 另外一種方法是當(dāng)負(fù)載斷路時(shí)使電源立即停止工作，如圖10所示,，圖中R24和R27給運(yùn)放同相輸入端提供固定的小電壓U+,。R26為取樣的負(fù)載電流輸入，當(dāng)負(fù)載發(fā)生斷路時(shí),，運(yùn)放反相輸入端電壓U-=0, 因而U+>U-, 運(yùn)放輸出電壓為高電平,，給出空載保護(hù)信號(hào)。 同時(shí)將時(shí)間常數(shù)R30×C15與電源給定的時(shí)間常數(shù)配合調(diào)節(jié),，使得空載保護(hù)不發(fā)生誤動(dòng)作,。
5 結(jié)語(yǔ)
文中主要討論了LED電源的幾種保護(hù)方式，并介紹了一些具體電路,。 對(duì)一個(gè)給定的直流開關(guān)電源來(lái)說(shuō),，保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要,。 而電源的可靠性將會(huì)影響到LED產(chǎn)品的壽命,，因此通常需要用幾種保護(hù)方式加以組合來(lái)構(gòu)成完善的保護(hù)系統(tǒng)，確保直流開關(guān)電源的正常工作,。 我們將這些措施實(shí)際用于驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載,，工作安全可靠。