保护LED电源电路的若干方法介绍

　引言
   　　近年来，随着LED技术的日趋成熟，LED光源因其具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、多色发光等的优点被越来越广泛地使用。 LED电源大都采用开关电源技术，输出多为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源即恒流驱动 。根据LED的伏安特性，电压的微小变化可导致电流的很大变化，有可能损坏LED, 且开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因此驱动电源的可靠性影响了LED应用产品的寿命，为了保护开关电源自身和负载的安全，延长使用寿命，必须设计安全可靠的保护电路。
   　　1 直通保护电路
   　　半桥和全桥是开关电源常用的拓扑结构，“直通”对其有很大的威胁，直通是同一桥臂两只晶体管在同一时间内同时导通的现象。 在换流期，开关电源易受干扰而造成直通，过大的直通电流会损坏用于逆变的电力电子器件。一旦出现直通现象，须尽快检测到并立即关断驱动，以避免开关器件的PN 结积累过大的热量而烧坏。这里利用双单稳态集成触发器CD4528设计了一种针对全桥和半桥的直通检测、保护电路。
   　　CD4528含两个单稳态触发器，其真值表如图1。芯片3脚与13脚分别为其内部两个独立单稳态电路的Clear 端，5脚和11脚为单稳态的B输入端，4脚与12脚为单稳态的A输入端。B端接高电平，只有当Clear端为高电平时，A端输入的上升沿触发才会有效。
   
   　　PWM1与PWM2为PWM芯片输出的两路互补脉冲信号，主电路（ 见图2）中Q1、Q4的驱动与图3中PWM1同步，Q2、Q3的驱动与PWM2同步。 在A、B、C和D4点进行电流上升率采样然后转变为电压信号，并分别给图3中的直通信号1与直通信号2。
   
   
   　　主电路中的左右桥臂对称，就左桥臂的直通保护进行分析。 正常状态下，当Q1、Q4导通时，PWM1为高电平，PWM2为低电平，3脚高电平输入有效，A点和D点没有电流流过，不会触发单稳态；虽然B点和C点采到了正常输出的上升沿信号，但是13 脚低电平时输入无效，所以不会触发单稳态，没有保护信号输出； 而在直通时，Q3由于某种原因误导通了，A点将检测到很大的电流上升率并转换为电压信号； 此时PWM1为高电平，图3中左边的单稳态被触发产生保护信号送到PWM 芯片的shutdow n 端，封锁PWM 脉冲输出。
   
   　　2 过流保护电路
   　　当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时，会引起流过开关管的电流过大，使管子功耗增大、发热，若没有过流保护装置，大功率开关管就可能损坏； 调节电路失效还可能导致LED过流损坏。 过流保护一般通过取样电阻或霍尔传感器等来检测、比较，从而实现保护，但它们都有体积大和成本高的缺点。
   　　这里采用如图4的方法，在正激变换器扼流圈放置相同匝数的线径较细的线圈。 这两个绕组是磁平衡的，它们之间本应没有电压差。 但是主绕组有直流电阻，大电流时产生了微小的电压差，该电压差由负载电流决定。这个微小的电压差被运放检测，并且通过调节Rx可以设置电流限制。该电路的缺点是电流限制不是很精细的，这是因为铜电阻在温度每上升10℃时增加4%。但是这个电路依然可以满足我们的设计要求。
   
   　　3 开、关机电流过冲保护电路
   　　稳流型开关电源在开机和关机时容易造成电流过冲，LED之类的负载对ms级的电流过冲都是不允许的，瞬间大电流的冲击有可能损坏LED器件，因此必须严格防止电流过冲。
   　　3.1 开机电流过冲保护
   　　开机时，由于电源滤波电容大，以及各延迟环节使得电流采样反馈值与给定值在调节器输入端不同，这会使得负载电流上升过冲，实测过冲波形如图5所示。 为了解决这一问题，可以将调节器给定端RC 的值适当加大，调节以后的开机电流没有发生过冲，波形如图6.
   
   
   　　3.2 关机电流过冲保护
   　　在我们设计的30A/20V开关型稳流电源中，采用控制电路单独供电。主电路的滤波电容在工作时存储了大量的电能，切断总电源后，其中存储的电荷持续数秒才能放完。 所以关机后单独供电的采样电路先关而主电路延迟关闭。调节器的给定输入端由主电路供电，即关机后调节器的采样输入端先降低，给定端缓慢降低，于是其输出误差电压增大，控制芯片增加PWM 的占空比，由此导致了关机时负载电流的严重过冲，过冲时的电流波形如图7所示。
   
   　　图8 为关机电流过冲保护电路，该电路能在3ms内迅速检测出交流电源是否关闭，并且在电源关闭后强行将调节器给定输入端的电压拉低，防止电流过冲，具体动作过程如下。
   
   　　光耦U1、U 2 随被测电源的正负半周交替导通，当A 点交流电压大于光耦中发光二极管的导通电压Von时，光耦开启，C3通过光耦中三极管放电，使B 点的电压达不到场效应管的开启电压； 当交流电压小于Von时，光耦不导通，C3充电，B点的电压增加，此时应使C3的电压上升到场效应管阈值的时间大于光耦关闭的时间，以保证Q2不导通。 在t1时刻交流电源断开，光耦输出呈高阻态，C2中存储的电荷经R1向C3充电，C3上的电压迅速增加，当B点电压大于场效应管的开启电压时，场效应管Q2导通，导通后可迅速将Vs 拉低，图8中Vs是调节器的给定输入端电压。 关机瞬间负载电流和图8中B点的波形如图9。改变R1和R4的参数，可以改变给C3充电的时间。 R4选用较大阻值的，可以提高C3上的电压，同时延长C3的放电时间。 C2的大小可以决定交流电源断电后维持该电路工作的时间。 综上所述，设置合理的参数，便可保证在主电路电源没有完全关闭的情况下，Q2一直导通，即误差放大器的给定输入端一直为零，避免了电流过冲。
   
   　　4 过压保护电路
   　　稳流型电源若负载发生断路，电流检测电阻两端的电压下降到零，一旦给定值不为零，调节器会使得输出电压急剧飙升至最大值，这对负载连接接触不良时是很危险的。 对LED、半导体制冷等负载来说，过压发生时，首要任务是保护负载，其次是保护开关功率管。
   　　为解决以上问题，有两种保护方法同时使用，一是放置双向TVS来实现对瞬间冲击电压的防护。
   　　TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以纳秒级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲损坏。 还可将电阻与TVS串联，当TVS未击穿时，电阻上没有电流，若发生过压，TVS被击穿，电阻上有电流流过，产生压降，以此作为保护信号，送到PWM 芯片的shutdown 端，封锁PWM脉冲输出。 另外一种方法是当负载断路时使电源立即停止工作，如图10所示，图中R24和R27给运放同相输入端提供固定的小电压U+。R26为取样的负载电流输入，当负载发生断路时，运放反相输入端电压U-=0, 因而U+>U-, 运放输出电压为高电平，给出空载保护信号。 同时将时间常数R30×C15与电源给定的时间常数配合调节，使得空载保护不发生误动作。
   　　5 结语
   　　文中主要讨论了LED电源的几种保护方式，并介绍了一些具体电路。 对一个给定的直流开关电源来说，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。 而电源的可靠性将会影响到LED产品的寿命，因此通常需要用几种保护方式加以组合来构成完善的保护系统，确保直流开关电源的正常工作。 我们将这些措施实际用于驱动LED负载，工作安全可靠。