LED電源的四種保護電路設計

　　近年來，隨著LED 技術的日趨成熟，LED 光源因其具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩定性高、響應時間短、多色發光等的優點被越來越廣泛地使用。LED 電源大都採用開關電源技術，輸出多為可隨LED 正向壓降值變化而改變電壓的恆定電流源即恆流驅動。根據LED 的伏安特性，電壓的微小變化可導致電流的很大變化，有可能損壞LED,且開關電源中控制電路比較複雜，電晶體和集成器件耐受電、熱衝擊的能力較差。因此驅動電源的可靠性影響了LED 應用產品的壽命，為了保護開關電源自身和負載的安全，延長使用壽命，必須設計安全可靠的保護電路。

　　1 直通保護電路

　　半橋和全橋是開關電源常用的拓撲結構，「直通」對其有很大的威脅，直通是同一橋臂兩隻電晶體在同一時間內同時導通的現象。在換流期，開關電源易受幹擾而造成直通，過大的直通電流會損壞用於逆變的電力電子器件。一旦出現直通現象，須儘快檢測到並立即關斷驅動，以避免開關器件的PN 結積累過大的熱量而燒壞。這裡利用雙單穩態集成觸發器CD4528設計了一種針對全橋和半橋的直通檢測、保護電路。

　　CD4528含兩個單穩態觸發器，其真值表如圖1.晶片3腳與13腳分別為其內部兩個獨立單穩態電路的Clear 端，5腳和11腳為單穩態的B 輸入端，4腳與12腳為單穩態的A 輸入端。

　　B 端接高電平，只有當Clear 端為高電平時，A 端輸入的上升沿觸發才會有效。

　　PWM1與PWM2為PWM 晶片輸出的兩路互補脈衝信號，主電路（見圖2）中Q1、Q4的驅動與圖3中PWM1同步，Q2、Q3的驅動與PWM2同步。在A、B、C 和D4點進行電流上升率採樣然後轉變為電壓信號，並分別給圖3中的直通信號1與直通信號2.

　　主電路中的左右橋臂對稱，就左橋臂的直通保護進行分析。正常狀態下，當Q1、Q4導通時，PWM1為高電平，PWM2為低電平，3腳高電平輸入有效，A 點和D 點沒有電流流過，不會觸發單穩態；雖然B 點和C 點採到了正常輸出的上升沿信號，但是13腳低電平時輸入無效，所以不會觸發單穩態，沒有保護信號輸出；而在直通時，Q3由於某種原因誤導通了，A 點將檢測到很大的電流上升率並轉換為電壓信號；此時PWM1為高電平，圖3中左邊的單穩態被觸發產生保護信號送到PWM 晶片的shutdow n 端，封鎖PWM 脈衝輸出。

　　2 過流保護電路

　　當出現負載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時，會引起流過開關管的電流過大，使管子功耗增大、發熱，若沒有過流保護裝置，大功率開關管就可能損壞； 調節電路失效還可能導致LED 過流損壞。過流保護一般通過取樣電阻或霍爾傳感器等來檢測、比較，從而實現保護，但它們都有體積大和成本高的缺點。

　　這裡採用如圖4的方法，在正激變換器扼流圈放置相同匝數的線徑較細的線圈。這兩個繞組是磁平衡的，它們之間本應沒有電壓差。但是主繞組有直流電阻，大電流時產生了微小的電壓差，該電壓差由負載電流決定。這個微小的電壓差被運放檢測，並且通過調節Rx可以設置電流限制。該電路的缺點是電流限制不是很精細的，這是因為銅電阻在溫度每上升10℃時增加4%.但是這個電路依然可以滿足我們的設計要求。

　　3 開、關機電流過衝保護電路

　　穩流型開關電源在開機和關機時容易造成電流過衝，LED 之類的負載對ms 級的電流過衝都是不允許的，瞬間大電流的衝擊有可能損壞LED 器件，因此必須嚴格防止電流過衝。

　　3.1 開機電流過衝保護

　　開機時，由於電源濾波電容大，以及各延遲環節使得電流採樣反饋值與給定值在調節器輸入端不同，這會使得負載電流上升過衝，實測過衝波形如圖5所示。為了解決這一問題，可以將調節器給定端RC 的值適當加大，調節以後的開機電流沒有發生過衝，波形如圖6.

　　3.2 關機電流過衝保護

　　在我們設計的30A/20V 開關型穩流電源中，採用控制電路單獨供電。主電路的濾波電容在工作時存儲了大量的電能，切斷總電源後，其中存儲的電荷持續數秒才能放完。所以關機後單獨供電的採樣電路先關而主電路延遲關閉。調節器的給定輸入端由主電路供電，即關機後調節器的採樣輸入端先降低，給定端緩慢降低，於是其輸出誤差電壓增大，控制晶片增加PWM 的佔空比，由此導致了關機時負載電流的嚴重過衝，過衝時的電流波形如圖7所示。

　　圖8 為關機電流過衝保護電路，該電路能在3ms 內迅速檢測出交流電源是否關閉，並且在電源關閉後強行將調節器給定輸入端的電壓拉低，防止電流過衝，具體動作過程如下。

　　光耦U1、U 2 隨被測電源的正負半周交替導通，當A 點交流電壓大於光耦中發光二極體的導通電壓Von 時，光耦開啟，C3通過光耦中三極體放電，使B 點的電壓達不到場效應管的開啟電壓； 當交流電壓小於Von 時，光耦不導通，C3充電，B 點的電壓增加，此時應使C3的電壓上升到場效應管閾值的時間大於光耦關閉的時間，以保證Q2不導通。在t1時刻交流電源斷開，光耦輸出呈高阻態，C2中存儲的電荷經R1向C3充電，C3上的電壓迅速增加，當B 點電壓大於場效應管的開啟電壓時，場效應管Q2導通，導通後可迅速將Vs 拉低，圖8中Vs 是調節器的給定輸入端電壓。關機瞬間負載電流和圖8中B 點的波形如圖9.

　　改變R1和R4的參數，可以改變給C3充電的時間。R4選用較大阻值的，可以提高C3上的電壓，同時延長C3的放電時間。C2的大小可以決定交流電源斷電後維持該電路工作的時間。綜上所述，設置合理的參數，便可保證在主電路電源沒有完全關閉的情況下，Q2一直導通，即誤差放大器的給定輸入端一直為零，避免了電流過衝。

　　4 過壓保護電路

　　穩流型電源若負載發生斷路，電流檢測電阻兩端的電壓下降到零，一旦給定值不為零，調節器會使得輸出電壓急劇飆升至最大值，這對負載連接接觸不良時是很危險的。對LED、半導體製冷等負載來說，過壓發生時，首要任務是保護負載，其次是保護開關功率管。

　　為解決以上問題，有兩種保護方法同時使用，一是放置雙向TVS 來實現對瞬間衝擊電壓的防護。

　　TVS 是一種二極體形式的高效能保護器件。當TVS 二極體的兩極受到反向瞬態高能量衝擊時，它能以納秒級的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪湧功率，使兩極間的電壓箝位於一個預定值，有效地保護電子線路中的元器件免受各種浪湧脈衝損壞。還可將電阻與TVS 串聯，當TVS 未擊穿時，電阻上沒有電流，若發生過壓，TVS被擊穿，電阻上有電流流過，產生壓降，以此作為保護信號，送到PWM 晶片的shutdown 端，封鎖PWM 脈衝輸出。另外一種方法是當負載斷路時使電源立即停止工作，如圖10所示，圖中R24和R27給運放同相輸入端提供固定的小電壓U+.R26為取樣的負載電流輸入， 當負載發生斷路時，運放反相輸入端電壓U-=0, 因而U+>U-, 運放輸出電壓為高電平，給出空載保護信號。同時將時間常數R30×C15與電源給定的時間常數配合調節，使得空載保護不發生誤動作。

　　結語

　　文中主要討論了LED 電源的幾種保護方式，並介紹了一些具體電路。對一個給定的直流開關電源來說，保護電路是否完善並按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。而電源的可靠性將會影響到LED 產品的壽命，因此通常需要用幾種保護方式加以組合來構成完善的保護系統，確保直流開關電源的正常工作。我們將這些措施實際用於驅動LED 負載，工作安全可靠。