单芯片同步整流的LED驱动电路设计

关键词：单芯片；同步整流；恒流电路；散热；ERP认证

传统LED车灯驱动大多为非ERP认证产品，存在一定的干扰，严重的还会影响车载收音机的正常工作。目前，主流的LED车灯驱动电路整流都是异步，外围电路必须要二极管续流，整体转换效率偏低，器件温升很高。近年来，一些专家和技术人员在专利技术[1-4]和LED驱动电路改进[5-8]上做了大量研究，并取得了诸多成就。文献[5]提出一种基于恒流二极管的LED驱动电路设计，简化了电路设计，降低了成本；文献[8]提出一种用于汽车照明的LED恒流供电电路，利用精密稳压电源芯片产生一个可调的参考电压，在LED负载中串联一个线绕电阻并利用它产生一个反馈电压，将其与参考电压分别送入电压比较器中产生一个控制电压，利用其控制调整元件的压降，从而实现LED恒流供电。以上文献不同程度地实现了LED灯恒流驱动，取得了较好效果。目前，市场上虽有一些通过ERP认证的LED车灯驱动，但其驱动方案基本都是异步方案，外围复杂，需要较大的差模电感和共模电感，体积大、成本高、温度高，外围电路必须要二极管续流，整体转换效率偏低，器件温升高。本文研究一款单芯片同步整流LED车灯驱动电路，采用极其简单的外围，大大节省了空间和成本，整体温度低，轻松满足小体积LED车灯驱动的需求，方便组装和安装，并成功通过了ERP认证。

1.1LED驱动电路设计

图1给出了LED恒流驱动电路设计总体框图，主要包括桥式整流滤波模块、同步整流及恒流控制模块、输出滤波模块和LED负载电路。图2为LED驱动电路图。VIN与COM是输入端，后面接4个二极管组成全波整流（即D1～D4）。输入可以是交流电也可以是直流电，无需区分极性。电容E1、E2和电感L2组成PI型滤波电路，主要用于通过EMC测试减小驱动电源的干扰。电感L2不同于目前主流的差模电感，仅需0805封装大小的贴片磁珠即可。滤波电路后接LED恒流驱动芯片U1，电阻R1、电容C1的串联回路为LED恒流驱动芯片U1内置的高边MOS自举供电。LED恒流驱动芯片U1内置的低边MOS的漏端（SW脚）接主功率电感L1，L1为储能电感，再经输出电容E3滤波后接到LED负载的正极。LED负载的负极与输出滤波电容E3的负极一起接到LED恒流驱动芯片的电流检测引脚IFB。电阻R3跨接在LED负载的负极与LED恒流驱动芯片的地端（GND），精确采样输出电流，实现恒流输出。电阻R2与电容C2组成的串联回路，一端接LED恒流驱动IC内置低边MOS的漏端，另一端接GND，作用是对SW的高频开关噪声及干扰进行吸收。

1.2LED散热器件结构设计

LED驱动电路工作效率虽高，但由于工作电流大，导致部分电能转换成了热能，在持续的大电流及有限的灯罩空间内必然会使温度过高。所以，解决COB光源及驱动电路的散热是整个电路设计的一个关键环节。为解决LED车灯的散热问题，本设计的散热套件采用纯铝材料，如图3所示。传统LED车灯材料灯珠焊接基板采用常规1.5mm厚度的FR-4覆铜板。设计中，COBLED材料灯珠焊接基板采用2mm厚度的铝基敷铜板，最大差异在于散热性。此外，通过采用尽可能多的散热翅片来增加散热面积，起到更好的辅助散热效果。相比FR-4覆铜板，铝基覆铜板热阻仅为1.0～2.0℃，而FR-4覆铜板热阻为20～22℃，相差很大。

设计采用ACPOWERSOURCEAPS-9501交流电源、DC12V电子负载仪作为测试设备，通过TEKtronix3012B示波器、WT210DIGITALPOWERMETER功率计、34970A温度数据采集器进行参数性能测试，从而验证整灯的效果。表1列出室温下不同输入电压下基本输出参数的测试情况，表2列出了在输入电压Ui=DC12V情况下系统关键点的温度测试数据。由表1可以看出：在DC9～15V输入电压范围内，采用12V电子负载仪，系统输出电流平均值约为Io=1.613A，系统转换效率约91.1%，系统的功率因数约0.94。由表2可以看出：系统整灯在室温、DC12V输入条件下，输出电压Uo=12.2V，经老化1h后，ESOP8芯片温度为83.2℃，COBLED芯片温度为92.1℃，符合ERP认证要求。

设计采用单芯片同步整流小体积设计方案，实现了LED车灯的恒流驱动，具有如下优点：（1）采用LED双级驱动应用，前级为整波电路，后级为LED恒流电路；（2）采用单IC实现同步整流，相对于目前市面主流的异步方案，体积更小，外围更简单，转换效率更高，温升更低；（3）支持无极性输入，且只需极简外围即可轻松通过EMC测试，整体成本更低；（4）采用导热性能好的铝材和散热性能好的结构设计，使整灯的散热效果良好，温升降低。