大功率LED驱动电路设计 本科毕业论文.doc

毕业设计设计题目 大功率LED驱动电路设计 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 院系名称 2013 年 06月3日目录中文摘要1英文摘要21 引言31.1 设计背景31.2 设计要求42 系统总体设计方案62.1 驱动方案确定62.2 总体驱动方案83 系统硬件电路设计93.1 主控电路9 3.11 主控芯片介绍9 3.12 采样电阻的选择11 3.13 模拟调光的实现12 3.14 芯片工作频率的确定123.15 大电流MOS管及其驱动芯片14 3.16 大电流电感的选择15 3.17 导线的宽度与过孔大小的确定16 3.18 RC吸收电路203.2 欠压保护电路243.3 高温保护电路253.4 电压转换模块264 评估手段确定315 硬件性能评估32总结35致谢36参考文献3738大功率LED驱动电路设计摘 要：LED光源与传统光源比具有功耗低、亮度高、寿命长、环保、光学性能稳定等特点，已经在生产生活中广泛应用。目前市场上的LED驱动板只能满足一般需求，对于特殊用途的LED并不能满足。固态体积式真三维显示系统使用大功率LED灯Pt-121作为投影光源，要求LED工作在大电流、高PWM调光频率情况下，能同时满足这两种要求的驱动板目前国内还没有。本文就是针对固态体积式真三维显示系统对Pt-121的工作要求设计出专用的驱动板。该驱动板能实现对Pt-121的PWM调光、模拟调光，驱动Pt-121在需求的状态下工作。它包括驱动主模块、电压转换模块、温控模块、欠压锁定模块。关键词：LED驱动；PWM调光；模拟调光；电压转换；欠压锁定 Circuit Design of High-power LED DriverAbstract: Compare to traditional light sources, LED has those characteristics like low power consumption, high brightness, long life, environmental protection, stability optical performance, etc and has been widely used in the industry. However, drivers on the market can only meet general requirements. When the LED used in special way, then you have to make a special driver. The light source is Pt-121 in really solid volumetric true 3D display and we need it worked in high current, high PWM dimming frequency case. As a result, we cant find even one board that can meet our requirement in China. In this article, a circuit design is described to meet this special requirement. The board included main module, temperature control module, voltage convert module and under-voltage lockout module.Keywords: LED Driver; PWM Dimming; Analog Dimming; Voltage conversion; Undervoltage lockout1 引言1.1 设计背景合肥工业大学依靠自己在特种显示方面的独特优势，一直致力于固态体积式真三维显示技术的研究，已成功完成了样机的制作，目前正在进行工程机的研制。投影显示中的光源是构成真三维工程机显示系统的重要部件，其发光效率、发光形态以及发光源形状、光谱、寿命都直接决定投影显示图像的品质。由于真三维投影系统的屏幕由20层液晶光阀组成，而且前端光路较为复杂，光能损耗较大，所以对光源亮度要求非常高。发光二极管(LED)是一种新型的固态光源,随着技术的不断进步,尤其是大功率LED的研发,使其在景观照明、交通信号灯、电视背光源等方面广泛应用。目前市面上电视背光所用的白色光源主要有两种，一种是基于荧光粉的白LED(PC-LED)，另一种是由三基色混合出白光；三基色混合白光的光效、显色性能更加稳定，而且便于之后的配色，所以该成像系统光源选用混合白光。经过多 图1：Pt-121灯 方调研，本成像引擎中选择了流明公司（Luminus）生产的Phlatlight系列的型号为Pt-121的红，绿，蓝三种颜色的LED灯作为光源。这三种颜色LED灯的亮度分别可以达到1800流明、3500流明、750流明，是目前市面上最亮的LED光源。每个pt-121的发光面积为12mm2，发光面的长宽比例为4:3。它采用了专门针对高功耗、大电流而设计的封装，在基板上配有热敏电阻，以便于散热控制。Pt-121可以工作在连续导通状态和脉冲调制（PWM）工作状态。连续导通状态的优点是驱动电路简单，色度始终保持稳定，但是由于Pt-121是始终导通，而我们不需要它一直发光，所以光能利用率非常低；除此之外，由于LED的发光寿命是一定的，如果让它一直处于发光状态，那么它的工作时间相对于PWM工作模式会大打折扣。相比较而言PWM调光的优点就在于它能大大延长LED灯的寿命，使真三维显示器的寿命不会受限于光源的寿命，当然，光能利用率非常高，节能效果很明显。在平均电流相同的情况下，PWM驱动方式散热要好于连续导通驱动。有优点就相应的也有缺点，PWM工作方式的缺点就是驱动电路比较复杂，电源成本比较高。综合考虑，选择PWM工作模式作为Pt-121的工作模式。按照Pt-121手册上PWM工作模式的推荐状况，取峰值电流（peak-current）为30A。由于真三维显示系统采用数字光处理（DLP）来进行图像投射，受DLP工作频率限制，要采用PWM工作方式驱动LED，那么LED的发光频率至少为31.73khz，为了保险起见，我们选择32khz作为PWM驱动频率。综上所述，的驱动板要求是能使Pt-121（红、绿、蓝）工作在峰值电流：30A，调光频率（dimming frequency）至少为32khz。图2：Pt-121 PWM工作方式下峰值电流与亮度关系曲线图综上所述，选择PWM作为Pt-121的驱动方式，调光频率至少为32khz，峰值电流为30A。经过调研，发现这种需求属于大电流高功率负载，国内使用很少，所以市面上能驱动Pt-121而且频率要求达到项目需求的驱动板国内还没有，国外的开发板定价很高，且没有授权。为了以后产品的规模化生产，掌握主动权，所以重新设计出符合需求的驱动板是必不可少的。1.2 设计要求1、由上述分析可知，要求驱动LED灯工作在PWM工作方式，峰值电流为30A，调光频率32khz。又由于Pt-121的峰值电流为36A，超过该极限值，会烧毁LED灯，所以要限制极限电流不能超过36A。要能实现模拟调光，进而实现峰值电流的调控，以便实现之后的配光、调光。2、由于LED是电流型器件，也就是说其发光亮度与流过它的电流有关，电流发生变化，则LED灯的发光亮度和发出的光谱波长会发生变化。为了保证LED灯亮度的均匀性以及色度的稳定性，要求流过LED灯的电流呈现明显的方波，根据经验，明显的方波则要求方波的上升沿和下降沿总时间不能超过一个周期的10%，上升时间和下降时间相差也不能太大。3、有欠压保护。LED灯的本质是发光二极管，有一个正向导通电压（forward voltage），当电压高于该值时LED导通发光，低于该值时LED截止。在实际工作时，如果电压恰好在导通电压附近徘徊，那么就会出现LED灯在导通与截止之间不停的徘徊,严重影响灯的寿命，所以加欠压保护是必不可少的。4、有过载保护。任何一个可靠的电路板都应该有过载保护，如果发生了短路或者电流过大，超过36A，就会在一瞬间烧毁LED灯和元器件。5、有高温保护。Pt-121是目前市面上最亮的LED灯，所以其发热量也是非常大的，如果不做好散热导致温度过高，会使得LED灯损毁，pt-121红、绿、蓝的极限温度是110、170、170。6、有电压转换和稳压模块。驱动板的输入电压越少越好，对于固体真三维显示系统而言，它拥有庞大的电路系统，如果每个驱动板都需求一种到两种输入电压，那么成本之高可想而知，所以固体真三维显示系统要求统一电压为12V。由于我们选择的是开关电源，它所输出的电压并不稳定，毛刺比较大，所以稳压模块也是必不可少的。7、要求散热好，抗干扰能力强，性能稳定。8、电路板体积尽可能的小，便于安装。综上所述，大功率LED驱动板的设计要求如下：A、工作在PWM方式，峰值电流为30A，调光频率32khz，极限电流不能超过36A，有模拟调光。B、电流爬升时间和下降时间不得超过电流高电平维持时间的10%。C、有欠压保护。D、有过载保护。E、有高温保护。F、有电压转换模块和稳压模块。G、要求散热好，抗干扰能力强，性能稳定。F、电路板体积尽可能的小，便于安装。2 系统总体设计方案2.1 驱动方案确定LED灯的发光原理是其内部的电子与空穴在正向电压的作用下复合而发光，当外部电路补充的电子数与复合的电子数目相等时就会达到一个平衡，此时流过LED灯的电流值不变，LED的光谱特性单一，照度稳定。但是当LED灯两端的电压发生微小变化时，会致使参与复合的载流子浓度发生巨变，从而致使流过LED灯的电流跃变，达到新的平衡时会与之前平衡时电流相差较大，从而导致这段时间内LED的亮度不均匀，光谱特性不稳定。LED的PWM驱动又可分为恒压源驱动和恒流源驱动。所谓恒压源就是电压保持不变，电流按需分配；但是电压不变并不意味着电压就是个固定值，它会在一个较小的范围内变化，所以用恒压源驱动LED灯时会有可能使流过LED灯的电流发生跳变，会使LED灯的光学特性发生变化，更甚者有可能烧毁灯；但是恒压源结构简单，制作成本比较低，适用于对光学特性要求不是很严格的非极限场合。当要求比较严格时，比如真三维立体显示的光源，必须使用恒流源。所谓恒流源，就是输出电流保持不变，输出电压按需求而变化，选用恒流源来驱动LED，就可以保证流过其的电流稳定，从而保证LED的发光亮度和色度保持稳定。恒流源驱动的不足在于它的驱动电路复杂，成本较高，适合于高端场合。真三维显示要求光源发光色度稳定，亮度可调。色度稳定很容易实现，只要PWM的峰值电流维持不变且电流的爬升和下降时间比较小即可；亮度则可以通过调节PWM占空比来实现，这就要求不同占空比对应的平均电流线性度要好。恒流源依据其主要构成元件大概可分为晶体管恒流源、场效应管恒流源和集成运放恒流源。晶体管恒流源，顾名思义，主要器件是晶体三极管，利用晶体三极管集电极电压变化对电流变化的影响小，并通过负反馈来实现横流控制。由于晶体管参数受温度影响比较大，产生30A恒流对散热要求十分苛刻，所以不选择该种方案。场效应管恒流源与晶体管恒流源类似，它与晶体管恒流源相比优点在于它等效内阻小，效率高，无需辅助电源。通常场效应管与晶体管配合使用，效果会更好。Pt-121驱动板采用的是第三种恒流源方案：集成运放恒流源。集成运放恒流源参数受温度影响小，稳定度高，尤其在负载一端接地、大电流场合得到广泛应用。主控芯片控制驱动恒流源的工作原理如下：主控芯片时刻监测电阻两端的电压，与设定值（通过改变设定值可以改变电流大小，进而实现模拟调光）作比较，当测量值比设定值小时，芯片控制高频开关1、2，通过打开开关1、关闭开关2来给电感充电，进而增大流过LED灯的电流；相反，当监测电阻两端的电压值比设定的电压值大时，这时候芯片控制开关，使开关1关闭，开关2打开，电感对地放电，降低流过LED灯的电流。如此反复，可使电感达到伏秒平衡，进而可使流过LED灯的电流恒定。对于PWM调光，可以通过开关高频开关3来实现，当开关3断开时，LED正常工作；当3关闭时，LED灯被短接，从而实现PWM调光。开关1、2的开关频率最高可达1MHz，开关3的最高频率可达32KHz。图3：主控芯片的驱动原理图电路简图如下图所示：图4：电路简图2.2 总体驱动方案LM3433与大电流高频MOS管等组成大电流恒流控制模块，其它的外围电路如欠压保护、过载保护、温度控制模块及电压转换模块则围绕着大电流回路进行搭建。各个模块的详细信息将在下一章中讲述。图5：驱动板的总体设定框图如上图所示3 系统硬件电路设计3.1 主控电路3.1.1 主控芯片介绍LM3433是自适应DC/DC降压型恒流源驱动芯片，它可以直接为大电流、高亮度LED供电；它的输出配置可以允许多个LED的阳极直接连接到参考地上（比如说机箱壳）以达到最大散热。它的高频架构可以减少外部被动元件的使用，在外部纹波电流不是很大的情况下可以不加输出电容。两个输入用来控制LED亮度。模拟输入端可以使得LM3433适用于不同的LED灯或者进行色温校正。另一个输入就是PWM输入控制端。PWM功能是通过在灯的两端并联MOS管，通过PWM信号控制MOS管的通断来实现的。高频PWM调光允许色温调控、干涉消隐、场序照明以及亮度控制。附加功能包括热关断、VCC欠压锁定及逻辑电平关断模式。特点：1、输入电压是相对于LED阳极-9V到-14V之间。2、输入控制参考电平是相对于LED阳极而言的。3、输出电流超过6A。4、PWM调光频率超过30khz。5、允许LED共阳极以达到最大的散热。6、无需输出电容。7、工作频率可达1MHZ。 图5：LM3433各引脚的名称及作用1-TON：实时控制引脚。在TON和CSN之间连接一个电阻Ron，在TON和VEE之间连接一个电容CON。这样就可以设定LED灯正常发光时芯片的工作频率。2-ADJ：共阳极LED电流调节。与VIN直接相连可以固定采样电阻两端的电压是60mV。输入其它值来改变采样电阻两端的额定电压值，进而实现额定电流调节。3-EN:使能信号输入端。加逻辑高电平或者VIN时芯片工作，接地时芯片停止工作。EN在芯片内部通过100k的电阻与VIN相连。4-DIM：PWM调光输入端。在芯片内部通过100k的电阻与地相连。5-VIN：逻辑电源输入，输入电压范围为3.0-5.8V，对地而言。6-CGND：机箱接地。7-负电压输入，输入电压为-14V到-9V，对地而言。8-COMP:补偿输入引脚，在它和VEE之间连接一个电容。9-NC：无内部连接。10-SS：软启动引脚。在SS和VEE之间连一个电容已减小输入电流的斜率。如果功能没有使用，将引脚空置。11-NC;12-NC;13-LS: 低侧FET栅极驱动器返回引脚。14-LO: 低侧FET栅极驱动输出。低电平时关闭。 15-VCC：低侧FET栅极驱动电源旁路，和升压二极管的阳极连接。在VCC和VEE之间连接一个2.2F的电容。16-BST:高侧同步FET驱动自举升压电路接口。17-HO: 高侧同步FET栅极驱动输出。关闭时与HS相连。18-HS: 开关节点和高侧同步FET栅极驱动器反馈点。19-DIMR: LED调光FET栅极驱动反馈。连接到LED的阴极。20-DIMO: LED调光FET栅极驱动输出。DIMO是一个在DIMR和BST2之间不停切换的驱动器。21-BST2：DIMO高侧驱动器电源引脚。在BST2和CGND之间连接一个0.1F的电容。22-NC。23-CSN：电流感应放大器反相输入端。连到检测电阻的阴极端。24-CSP：电流感应放大器同相输入端。连接到检测电阻的阳极端。LM3433工作原理如下：图6：LM3433工作简图如上图所示，LM3433通过检测与LED串在一起的电阻两端的电压，并将检测到的电压与设定的电压值相比较，根据比较结果来控制Q1和Q2高频开关，进而实现对大电感进行充放电，以实现电流呈现一个动态平衡。比较器的参考电压可以通过ADJ进行设定。例如，当检测到电阻两端的电压大于设定值时，LM3433通过HO和LO来关断Q1、打开Q2来实现电感的放电，从而把电流降下来。Q1和Q2是反相的。至于PWM调控，则是通过DIMO来控制Q3的通断，进而实现PWM调光。PWM信号之所以走芯片经过，是因为可以通过芯片来实现PWM功能的开关。3.1.2 采样电阻的选择LM3433通过平均电流模式来控制流过LED灯的电流（ILED）。外部检测电阻(RSENSE)与LED串联在一起,将ILED转换为其两端的电压，并经过CSN和CSP传送给芯片。芯片将检测电阻两端的电压与设定的电压（VSENSE）进行比较，然后根据结果决定是对电感充电还是放电。那么就可以通过电阻两端的理想电压VSENSE来得到ILED的大小，即： ILED=VSENSE/ RSENSE （1）VSENSE的值与加在ADJ引脚上的电压有关。当ADJ引脚与芯片VIN（5V）引脚相连时，芯片默认VSENSE=60mV。这种情况下可以通过选取RSENSE的值来确定ILED。ILED=60mV/ RSENSE （2）实际使用中将ADJ与VIN直接相连，即VSENSE=60mV，在这种情况下由于ILED =30A，所以RSENSE=60mV/ ILED=60mV/ 30A=2m，即为需求的采样电阻值。这种情况下RSENSE的功率如下：P=30*2*=1.8W （3）由上面的功率可以看出，对于2m的电阻，这样的功耗已经非常大了，为了解决这一困难，我们选择5个10m的电阻并联，这样就会降低每个电阻的功率，减小发热。3.1.3模拟调光的实现所谓模拟调光，就是通过改变输入电压的大小来实现输出电流的改变，进而实现调光。对于LM3433芯片来讲，要想实现模拟调光，只需在一段范围内改变ADJ引脚上的电压即可。 ADJ引脚上所加的电压与VSENSE的值的关系可通过下面公式来确定： (4)如果加在ADJ上的电压是可调的，那么VSENSE和ILED就会随着ADJ的变化而线性变化。这个线性变化有一个范围：0.3VVADJ1.833uH时，由于电感过大，根据可知，L过大，会使电流的爬升速度较慢；但是当L1.833uH时电感储能效果又会下降。经过市场调研，根据已有的电感值，我们选择L=1.5uH为宜。电感过直流时的损失是影响效率的一个重要参数，但是低DC阻值的电感个头很大。在个头大小与效率之间有一个很好的平衡就是损耗是输出损耗的1%到2%之间。电感的额定电流值应该比峰值电流，峰值电流的大小为加，对于我们来说就是33A。综合以上三要素，经过调研，我们找到了符合要求的电感：SER2915L-152KL。它的感值为1.5uH，直流电阻为1.5m-1.65m，额定电流为100A，完全满足我们的要求。图9：大电流电感3.1.7 导线的宽度与过孔大小的确定印制PCB板时导线宽度限制着电流的大小和温升，为了保证温度不能过高、同时又能通过至少30A的电流，必须设定导线宽度。导线的载流能力有一个经验公式： （9）其中，最大通流，单位为安培（A）。K降额参数，一般取0.024。T通流路径上最大容许的温度，单位是度。A路径的横截面积，单位是平房米尔（）根据以上公式可以计算出路径的横截面积A。由于A=L*D，其中L为导线的宽度，D为导线的厚度。按照目前的工艺，如果不加特殊说明，D=0.5oz，一般D最大只能去3oz，而且此时成本非常高。还有一种办法就是利用软件来计算导线宽度，软件的原理就是上述公式，经过查找，我在PCB论坛发现一个网页软件，通过输入最大电流、温升及铜箔厚度，就可以直接计算出导线宽度。图10：导线宽度计算软甲从上图可以看出，要想获得36A电流的载流能力，导线宽度至少为13.82mm，而我们的pcb只有80*100，所以要想在这么小的空间内通过布线是不可能的。经过多方调研，最终我们选择了在PCB表面覆铜，厚度选择2盎司（oz），宽度选择14mm，如下图：图11：PCB板表面覆铜代替宽导线同样我们用该软件计算出过孔的大小：图12：过孔大小的计算同导线宽度类似，5mm的过孔对于PCB板来说过大，经过考虑，我们决定经过打多个小孔来代替大过孔，将多个小孔并在一起，如下图：图13：PCB多个小过孔代替大过孔3.1.8 RC吸收电路PWM调光是通过在LED两端并联可以控制通断的MOS管来实现的，当MOS管离LED灯很近时可以实现持久正常工作，但是实际工作时MOS管是在板子上的，而LED灯则是在它固定的位置，两者之间有一定的距离，当MOS管高速工作时，会受到导线寄生电感的影响，产生振铃，若振铃过大，则会减少MOS管及芯片的使用寿命，甚至有可能直接烧毁，所以必须消除。RC吸收电路也叫RC缓冲电路，它是电阻Rs与电容Cs串联，并与开关并联连接的电路结构。用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。若开关断开，蓄积在寄生电感中能量对开关的寄生电容充电的同时，通过吸 收电阻对吸收电容充电。由于吸收电阻作用，阻抗变大，那么，吸收电容也等效地增加了开关的并联电容容量，为此，抑制开关断开的电压浪涌。开关接通时，吸收电容通过开关放电，其放电电流被吸收电阻所限制。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。图14：RC吸收电路参数确定结合上图，通过以下步骤确定RC吸收电路参数：1、测量原始电路振铃频率。2、确定了频率之后，将一个电容放同低侧FET并联放置，将振铃频率改为原始频率的一半。此时并联的电容()即为原始寄生电容()的三倍。3、知道电容和频率以后，我们可以通过公式计算出寄生电感L，其中f为原始振铃频率。4、 （10）5、 （11）对于我们实际电路中，经过上述步骤之后计算得出：25nF，取33nF；5.73，取6.2。加吸收电路之前和加吸收电路之后MOS管两端波形如下图所示： 图15-1：加RC吸收电路之前由于寄生电感的影响，调光MOS管在高速开关时会产生很大的振铃，实际表现就是毛刺非常严重，基本上看不出来有方波的趋势。将时间轴拉长，我们可以发现波形是呈正弦波在振荡，如下图：图15-2图16：加吸收电路之后经过RC吸收电路吸收之后，通过观察波形图可以发现，毛刺大为减少，将时间轴拉长可以发现之前的正弦波被吸收掉了。虽然波形依然不是标准的方波，但是比加RC吸收电路之前要好很多了。3.2 欠压保护电路由于短路故障等原因，线路电压会在短时间内出现大幅度降低甚至消失的现象。它会给线路和电器设备带来损伤。例如：会产生数倍于额定电流的过电流，会烧毁LED灯。为了保护LED灯及其他元器件，所以加前路保护必不可少。如下图是欠压保护电路：图17：欠压保护电路其中Q5、Q7、Q8是三极管，作为开关来使用。工作原理为当正常电压时导通，Q8导通，Q5/Q7不导通， ENA_REAL呈高电平，芯片在温度不超标的情况下正常工作。当GND与负电压源(-12V)之间的电压过低时（短路等故障时），Q8不导通，Q5/Q7导通，芯片ENA_REAL电压被拉低，芯片不工作，从而保护电路。3.3 高温保护电路每个Pt-121灯上都带有一个热敏电阻，阻值随温度的升高而减小。Pt-121是目前市面上最亮的LED灯，所以其发热量也是非常大的，如果不做好散热导致温度过高，会使得LED灯损毁，pt-121红、绿、蓝的极限温度是110、170、170。为了保护pt-121，我们给每个灯都加了高温保护电路。图18：温度保护电路上图中J1是外界热敏电阻的接口，热敏电阻一端接地，另一端通过一系列电阻接到电源正极；U7是一个电压比较器，反相输入端输入的是热敏电阻高电位V_R。当V_R的值小于设定的值VIN+时，输出端输出低电平，即V_OUT为低电平，经过U8与门之后，输出为低电平，ENA_REAL为低，芯片停止工作，保护灯；当温度下降到设定值后，V_R就高于设定值时，那么V_OUT输出就一直是高电平，在正常工作下ENA_REAL输出为高电平，芯片工作。电压比较器的功能如下： 图19：LM397 图20：LM397典型应用电路对于一般的比较器而言，当VIN-在VIN+附近徘徊时，会出现输出端不停振荡的现象，为了解决这一问题，LM397采用迟滞比较法。迟滞比较器要求有2个开启电压值，比如说是和（）,当时比较器输出的是低电平，灯熄灭，温度下降，升高，只有当大于时比较器才会输出高电平，这样就避免了在一个电压点时不停的振荡。图21：LM397迟滞比较器U8是4输入与门，实际工作中我们需要6个LED灯一起工作，所以U8实际上是可以复用的，我们确定一组灯（红、绿、蓝灯各一个）用一个U8。3.4 电压转换模块LM5002是一种高电压开关模式稳压器。该芯片在外围器件需求较少的情况下可以有效地实现升压（boost）、反激式（flyback）、斩波（SEPIC）和正向（forward voltage）转换器。这种易于使用的稳压器集成了一个75V的N通道MOS管，它的峰值电流限制在0.5A。芯片采用电流控制模式，该模式可以提供固有的简单的环路补偿和线电压反馈来对瞬态输入进行抑制。芯片的工作频率可由外部电阻设定，最高可达1.5MHZ。内部时钟也可以与外部时钟同步。额外的保护功能包括：限流、温度保护、欠压锁定和外部控制开关。LM5002特点：1、内部集成一个75V N通道MOS管。2、输入电压范围为3.1V到75V。3、是集成的高压偏置稳压器。4、输出电压可以调节。5、输出电压精度达1.5%。6、电流模式控制和可选补偿。各引脚及功能如下：1- SW：开关引脚，也是内部集成MOSFET的漏极。2- VIN:电源端，工作电压范围在3.1V到75V之间。3- VCC：偏置稳压器的输出，接入外部电路。4- GND图22：LM5002引脚 5-RT:内部晶振频率设定或者外部同步时钟输入端。当使用内部晶振驱动芯片时，可以通过在RT和GND之间连接一个电阻来设定晶振的工作频率。推荐工作在50KHZ到1.5MHZ。6-FB:稳压输出的反馈输入。该引脚连接到内部差别放大器的反相输入端，放大器的同相端输入的是参考电压1.26V。7-COMP：内部误差放大器反相输出端。补偿网络应该连接在COMP和FB引脚之间。8-EN：使能、欠压锁定和关闭芯片。图23：LM5002工作原理图LM5002工作原理可结合上图进行理解。每个转换周期开始的时候，晶振产生逻辑驱动电平驱动芯片工作，芯片打开MOS管给电感充电。流过MOS管的峰值电流受控于COMP引脚上的电压。当电路负载较高时，COMP引脚上的电压升高；当负载较少时，COMP上的电压则降低了。把COMP上的电压与一个电压进行比较，该参考电压是内部产生的斜坡电压和一个与流过MOS管电流成正比的电压之和。当使用PWM电流调控模式切占空比超过50%时，使用斜坡补偿来消除次谐波电流振荡。当上述电压总和超过COMP上的电压时，PWM比较器重置驱动信号。驱动信号又有晶振进行重新设定来进行新一个周期的循环。芯片工作频率是由RT和GND之间的电阻设定的，阻值的大小与频率的关系对应公式如下： （12）EN引脚上连接有两个专用比较器用来检测电压和关断条件。当EN引脚上的电压低于0.45V时，控制器处于低电流关断模式下，VIN电流降为95uA；当EN引脚上的电压大于0.45V且低于1.26V时，控制器处于待机模式下，所有的内部电路工作，但是PWM栅极驱动信号被锁死；一旦EN引脚上的电压大于1.26V时，控制器完全启用。两个外部电阻可用于设定芯片的工作电压。当EN引脚上的电压低于1.26V时，100mV的内部阈值延迟可以有效地阻值噪音，所以电压必须降低到1.16V以下过度到待机状态。R1和R2的阻值可由下面的公式确定： （13） （14）其中，是需要的启动电压；是通过R1和R2之间的电流。图24：比较器及补偿网络如上图所示，内部的高增益误差放大器产生一个放大信号，该信号正比于额定输出电压和内部设定的参考电压之差。误差放大器的输出端连接到COMP引脚上，允许用户添加外部补偿网络，该补偿网络产生一个低频点，可以滤除DC的高增益部分，这对于对输出电压精度要求比较高的是十分重要的。FDC_POLE是低频点的频率，FZERO指的是靠近低频点，FPOLE则是高增益部分的频率，他们与外部补偿电路的关系如下： （15） （16） （17）输出电压的确定：由上述讨论可知，输出电压分压电阻R1和Rfeedback分压到1.26V给芯片误差放大器，也就是说分压电阻确定了，输出电压就确定了，那么就可以固定Rfeedback电阻。如果已知输出电压，由公式： （18） 即可确定输出电压的值了。图25：电压转换模块上图所示为利用LM5002组合的稳压模块，U1为LM5002,Q10为三极管集成芯片，一个芯片集成有两个三极管。这里的三极管当做开关来使用，用来实现欠压锁定，当系统的GND和VCC之间的电压低于9V时便会关闭。正常工作时输入电压为12V，输出电压为5V。4 评估方案确定设定指标要求驱动pt-121工作在PWM方式，峰值电流为30A，调光频率32khz，极限电流不能超过36A，电流爬升时间和下降时间不得超过电流高电平维持时间的10%。但是由于没有电流探棒，电流波形无法直接探测，所以如何探测电流波形成为一个难题。在这个问题上我采用了四种方法，各种方法有利有弊，下面将进行一一说明。 a、串分流器（75mV、30A），结果采到的波形并不是方波，分析有可能是因为分流器的寄生电感影响的。 b、串采样电阻（贴片、锰铜、康铜、水泥电阻），在串无感水泥电阻之后探测出来电压波形是方波，但是当串上电阻后流过灯的电流减小了，所以这种评测手段并不准确。 c、在导线上套变压器线圈，用示波器探测，这种方法虽然不会影响驱动板性能，但是探测到的信号太弱。 d、采用光电二极管，直接探测光信号，将光信号转换为电压信号传送给示波器，目前这种方法是我们选择的最终方案。5 硬件性能评估虽然我们的取值都是按理论值取的，但是现实与理论总是有差距的。板子加工出来以后我对其性能进行了评估，评估的主要对象就是看是否能驱动pt-121在30A、32kPWM方式下工作且峰值电流不超过36A。从前面的分析我们知道，要实现这种方式，就得使恒流源的输出波形看起来是方波且电流值不能超过36A，但是实际效果是当调光MOS