LED實際應用設計--HV9910應用

在設計高壓直驅線路時，有多種IC可以選用。
今天先從HV9910說起，這款IC有人說好，也有人說不好用。目前市場占有量較大，有著很好的使用范圍，但有些朋友將它說成垃圾！那么問題到底出在哪里，從我司銷售的客戶反應總結出下面的觀點：
HV9910 是一款很據代表性的IC，每款IC都會有它的不足之處，當然這顆也不例外，作為設計人員就是要利用它好的一面，解決我們實際應用中的問題
線路簡單簡潔是這顆IC最大的優點，市電直接驅動效率高，

上電：紅色箭頭所示，高壓直流→LED→L1→Q1→RCS 在這個過程中損耗會有L1的等效電阻+MOS管的結電阻+R電流檢測電阻損耗。L1上電電流不能發生突變，會給CS檢測電流時間，也為下一過程續流提供條件。上電過程當中MOS管選擇最為關鍵，建議選用美國國際整流器公司IRF840，不良的MOS管將會造成LED瞬間全部損壞。L1電流量與感值一定要符合線路基本需要，小電流可以參考規格書選用，大電流適當增加感值，電流量選取實際LED電流3倍以上。RCS 值反饋電壓決定負載實際電流大小，阻值按供電電壓結合LED電流需要適當調整選取，也是負載LED電流調節電阻。
順便提一句，IRF840 各大公司都有生產，國內企業也有裸片封裝，型號標注、封裝及后綴完全相同，建議使用IR公司產品。
當CS反饋電壓達到合適的值時，IC會關閉MOS管，這時放電工程開始：藍色線段是LED放電電流方向L1、Co的等效電阻和D1的正向壓降是影響效率的關鍵。D1肖特基二極管選取正向電壓小，頻率要選擇實際工作頻率3倍以上，最大電流要大于LED實際電流的2倍以上，耐壓要大于供電電壓峰值的1.5倍以上，推薦選用MUR160。Co電容可以改善負載電流穩定度，容量在4.7-33uF中間選擇。
不足的地方就是這顆IC沒有相應的保護線路，過壓、過流不能及時的得到有效的保護，放電過程不在IC

監控下工作，容易造成誤動作。
下面是分析結果：
1． 過壓或MOS管選取不當會容易造成LED永久損壞：電流控制是靠CS反饋是唯一的條件，過高的電壓在沒有及時反饋的情況下，MOS管會被擊穿，LED過流而損壞。那需要解決的辦法是，在設計這顆IC時需要前端設計限壓線路，或使用在不可能有超線路極限高壓的情況下是安全的。
2． 不適合應用于供電電壓波動太大的場合：這個IC和這些類型的IC，在MOS管關閉時，放電電流不在IC監控下，什么時候電流減低到什么情況，MOS管開啟時間是IC內部定時器固定開啟的。器件都是按負載選取的，變動的供電電壓會影響驅動電流，但是不會影響MOS管開關時間，假設正當CS接到需要關閉參考值，正好去關閉MOS時，供電電壓突然從100V升高到300V，會大電流瞬間損壞LED。這個情況是有的，在設計時要盡量避免使用在供電電壓波動太大的場合。
3． PWM適合應用到開關控制場合，因其高速灰度控制，關斷MOS過后還會有電感和電容續流過程，不能真實再現灰度等級。應用到需要開關控制和色溫混合線路設計會比較體現這款IC的優點。
4． 器件選擇靈活性不高，無論哪家公司這類IC都不可以做到太大功率驅動。

綜合上述原因，HV9910設計在供電電壓相對穩定，有限壓保障，負載不大于8W LED條件下是比較合理的。小功率LED與太陽能光電池結合的路燈產品；3W以下的LED射燈，多顆白光LED色溫矯正的洗墻燈，要求灰度不高的全彩射燈等等。 

評語：
優缺點和其它芯片一樣都有，重量級的市場份額，里程碑的設計，再加上你的設計智慧，在此款IC基礎上設計出來的IC和產品會越來越多。

HV9910B是HV9910升級改進版本,工藝性能上有所改進,可以直接替換使用,以后將HV9910B供貨為主.

驅動條件
HV9910 需要1mA 的啟動電流.此電流由HV9910 的內部產生,無需象其它的電路中需加一個大的啟動電阻. 此外, 在HV9910的應用中,它能用內部的線性電源連續的向內部的所有線路提供7.5V的電壓.IC是外置MOS本身功耗并不高.

設定輸出電流
選擇降壓型設計方法時, LED中的平均電流作為 CS腳檢測峰值電壓會有一個好的表現.然而,運用這種電流采樣方法,有一個相關連的誤差需要被計算進去 .此誤差的提出是因為電感中的平均電流和峰值電流是不同的. 例如電感紋波電流的峰峰值是150mA, 要得到500mA的LED電流, 該采樣電阻應為:
250mV/(500mA+ 0.5*150mA) = 0.43Ω.

調光
有兩種方式可以實現調光 , 取決不同的應用, 可以單獨調節也可組合調節. LED 的輸出電流能被控制, 

也能被線性調節改變, 或通過控制電流的開關來維持電流的不變. 第二種調光方式(叫PWM 調光)通過改變輸出電流的占空比來控制LED的亮度.
線性調光通過調節LD pin腳電壓從0到250mV而實現,該控制電壓優先于內部CS pin設定值250mV , 從而可輸出電流實現編程. 例如, 在VDD 和地之間接一個分壓器,設定CS pin的控制電壓. 當分壓器設定的控制電壓超過250mV將不會改變輸出電流. 如希望更大的輸出電流, 可以選擇一個更小的采樣電阻.
PWM 調光通過外部PWM信號加在PWM_D pin 端而實現.該 PWM 信號可由微控制器或由脈沖發生器按希望的LED的亮度以一定的占空比來實現. 在此PWM 方式下, 以該信號的有效和失效轉換來調節LED的電流. 在此模式,LED 的電流處在這兩種狀態之一: 零或由采樣電阻設定的正常電流.它不可能用這個方法去達到比HV9910用采樣電阻設定的水平更高的平均亮度 . HV9910 用這種PWM控制方法,這燈的輸出只能在0到100%之間調整. 此PWM調光方法的精度僅僅取決于GATE的最小脈寬的限制, 即此頻率的占空比的百分比.

建議設計200-500Hz之間,原廠規格書是說可以很高,但是我建議在這個范圍.如果是外控PWM市電直驅設計時要注意信號隔離,光耦和變壓器都可以,IC沒有提供隔離供電部分,在此向超科公司提出建議,希望在今后設計類似IC一定要考慮這個問題! 

工作頻率設定
振蕩器的工作頻率能被用一個外部電阻ROSC在25kHz 到 300kHz之間設定:
FOSC = 25000/(ROSC [kΩ] + 22) [kHz]

功率因數校正
當 LED 驅動器的輸入功率不超過25W時, 為了通過標準EN61000-3-2 Class C 的AC諧波的限制, 如 HV9910 的應用線路圖, 可以加一個簡單的被動功率因數校正電路. 這個典型的應用電路線圖表示怎樣加這個線路而不影響電路的其它部分. 一個由3個二極管和 2個電容器的簡單電路被加在ac整流輸入的后面去改善輸入電流的諧波失真和達到功率因數大于0.85.

電感設計
提及典型的應用電路,可以從電感中計算得到希望的LED 波紋電流的峰峰值. 但在典型的應用,這樣的波紋電流被選取為正常的LED電流的30%. 在這個例子中, 正常電流ILED 是350mA.下一步是得出 LED燈串上的總電壓降. 例如, 當燈串由10高亮度的LED組成且每個二極管在它的額定電流時的正向壓降為3.0V; 則LED 串的總電壓VLEDS 是 30V.
可以知道正常的整流的輸入電壓=120V*1.41=169V
由此可以決定開關的占空比:
D=Vleds/Vin=0.117
然后,給出開關頻率,在此例中Fosc=50KHz,這樣計算功率管MOSFET的導通時間:
Ton=D/Fosc=3.5us
有這些必須的數值,可以計算出電感值:
L=(Vin-Vleds)*Ton/(0.3*Iled)=4.6mH

降壓型(BUCK)拓撲設計 

當需要的LED燈串接電壓比供電電壓低時,需要選用降壓型拓撲.上面的介紹都是適用這些設計要求的說明.然而設計者必須滿足輸入電壓維持在LED燈串電壓2倍一樣為合適.這個限制是因為HV9910工作在降壓型拓撲時占空比大于0.5時電流輸出穩定,不穩定的顯示在輸出電流它本身在開關諧波影響下會自激震蕩.


HV9910在使用工程當中經常會遇到的問題!

問:MOS管會損壞和LED燒毀等情況?
答:設計條件在供電電壓相對穩定、有限壓保障,負載不大于8W LED條件下是比較合理的.供電電壓波動會順壞線路器件.

問:MOS和肖特基二極管發熱嚴重?
答:熱量肯定是有的.電流值、耐壓不是越高越好,合適即可.最重要的也是最主要的熱源是二極管的Vf值和mos的導通結電阻,這個值是我們選擇器件的首要指標.

問:發現LED會有閃爍現象?
答:在降壓型設計是供電電壓要高于LED正向電壓總和1倍以上為合理,有時我們設計可能沒有辦法滿足這個條件,可以適當增加在LED兩端電容或電容容量方法加以解決.