LED实际应用设计--HV9910应用

在设计高压直驱线路时，有多种IC可以选用。
今天先从HV9910说起，这款IC有人说好，也有人说不好用。目前市场占有量较大，有着很好的使用范围，但有些朋友将它说成垃圾！那么问题到底出在哪里，从我司销售的客户反应总结出下面的观点：
HV9910 是一款很据代表性的IC，每款IC都会有它的不足之处，当然这颗也不例外，作为设计人员就是要利用它好的一面，解决我们实际应用中的问题
线路简单简洁是这颗IC最大的优点，市电直接驱动效率高，

上电：红色箭头所示，高压直流→LED→L1→Q1→RCS 在这个过程中损耗会有L1的等效电阻+MOS管的结电阻+R电流检测电阻损耗。L1上电电流不能发生突变，会给CS检测电流时间，也为下一过程续流提供条件。上电过程当中MOS管选择最为关键，建议选用美国国际整流器公司IRF840，不良的MOS管将会造成LED瞬间全部损坏。L1电流量与感值一定要符合线路基本需要，小电流可以参考规格书选用，大电流适当增加感值，电流量选取实际LED电流3倍以上。RCS 值反馈电压决定负载实际电流大小，阻值按供电电压结合LED电流需要适当调整选取，也是负载LED电流调节电阻。
顺便提一句，IRF840 各大公司都有生产，国内企业也有裸片封装，型号标注、封装及后缀完全相同，建议使用IR公司产品。
当CS反馈电压达到合适的值时，IC会关闭MOS管，这时放电工程开始：蓝色线段是LED放电电流方向L1、Co的等效电阻和D1的正向压降是影响效率的关键。D1肖特基二极管选取正向电压小，频率要选择实际工作频率3倍以上，最大电流要大于LED实际电流的2倍以上，耐压要大于供电电压峰值的1.5倍以上，推荐选用MUR160。Co电容可以改善负载电流稳定度，容量在4.7-33uF中间选择。
不足的地方就是这颗IC没有相应的保护线路，过压、过流不能及时的得到有效的保护，放电过程不在IC

监控下工作，容易造成误动作。
下面是分析结果：
1． 过压或MOS管选取不当会容易造成LED永久损坏：电流控制是靠CS反馈是唯一的条件，过高的电压在没有及时反馈的情况下，MOS管会被击穿，LED过流而损坏。那需要解决的办法是，在设计这颗IC时需要前端设计限压线路，或使用在不可能有超线路极限高压的情况下是安全的。
2． 不适合应用于供电电压波动太大的场合：这个IC和这些类型的IC，在MOS管关闭时，放电电流不在IC监控下，什么时候电流减低到什么情况，MOS管开启时间是IC内部定时器固定开启的。器件都是按负载选取的，变动的供电电压会影响驱动电流，但是不会影响MOS管开关时间，假设正当CS接到需要关闭参考值，正好去关闭MOS时，供电电压突然从100V升高到300V，会大电流瞬间损坏LED。这个情况是有的，在设计时要尽量避免使用在供电电压波动太大的场合。
3． PWM适合应用到开关控制场合，因其高速灰度控制，关断MOS过后还会有电感和电容续流过程，不能真实再现灰度等级。应用到需要开关控制和色温混合线路设计会比较体现这款IC的优点。
4． 器件选择灵活性不高，无论哪家公司这类IC都不可以做到太大功率驱动。

综合上述原因，HV9910设计在供电电压相对稳定，有限压保障，负载不大于8W LED条件下是比较合理的。小功率LED与太阳能光电池结合的路灯产品；3W以下的LED射灯，多颗白光LED色温矫正的洗墙灯，要求灰度不高的全彩射灯等等。 

评语：
优缺点和其它芯片一样都有，重量级的市场份额，里程碑的设计，再加上你的设计智慧，在此款IC基础上设计出来的IC和产品会越来越多。

HV9910B是HV9910升级改进版本,工艺性能上有所改进,可以直接替换使用,以后将HV9910B供货为主.

驱动条件
HV9910 需要1mA 的启动电流.此电流由HV9910 的内部产生,无需象其它的电路中需加一个大的启动电阻. 此外, 在HV9910的应用中,它能用内部的线性电源连续的向内部的所有线路提供7.5V的电压.IC是外置MOS本身功耗并不高.

设定输出电流
选择降压型设计方法时, LED中的平均电流作为 CS脚检测峰值电压会有一个好的表现.然而,运用这种电流采样方法,有一个相关连的误差需要被计算进去 .此误差的提出是因为电感中的平均电流和峰值电流是不同的. 例如电感纹波电流的峰峰值是150mA, 要得到500mA的LED电流, 该采样电阻应为:
250mV/(500mA+ 0.5*150mA) = 0.43Ω.

调光
有两种方式可以实现调光 , 取决不同的应用, 可以单独调节也可组合调节. LED 的输出电流能被控制, 

也能被线性调节改变, 或通过控制电流的开关来维持电流的不变. 第二种调光方式(叫PWM 调光)通过改变输出电流的占空比来控制LED的亮度.
线性调光通过调节LD pin脚电压从0到250mV而实现,该控制电压优先于内部CS pin设定值250mV , 从而可输出电流实现编程. 例如, 在VDD 和地之间接一个分压器,设定CS pin的控制电压. 当分压器设定的控制电压超过250mV将不会改变输出电流. 如希望更大的输出电流, 可以选择一个更小的采样电阻.
PWM 调光通过外部PWM信号加在PWM_D pin 端而实现.该 PWM 信号可由微控制器或由脉冲发生器按希望的LED的亮度以一定的占空比来实现. 在此PWM 方式下, 以该信号的有效和失效转换来调节LED的电流. 在此模式,LED 的电流处在这两种状态之一: 零或由采样电阻设定的正常电流.它不可能用这个方法去达到比HV9910用采样电阻设定的水平更高的平均亮度 . HV9910 用这种PWM控制方法,这灯的输出只能在0到100%之间调整. 此PWM调光方法的精度仅仅取决于GATE的最小脉宽的限制, 即此频率的占空比的百分比.

建议设计200-500Hz之间,原厂规格书是说可以很高,但是我建议在这个范围.如果是外控PWM市电直驱设计时要注意信号隔离,光耦和变压器都可以,IC没有提供隔离供电部分,在此向超科公司提出建议,希望在今后设计类似IC一定要考虑这个问题! 

工作频率设定
振荡器的工作频率能被用一个外部电阻ROSC在25kHz 到 300kHz之间设定:
FOSC = 25000/(ROSC [kΩ] + 22) [kHz]

功率因数校正
当 LED 驱动器的输入功率不超过25W时, 为了通过标准EN61000-3-2 Class C 的AC谐波的限制, 如 HV9910 的应用线路图, 可以加一个简单的被动功率因数校正电路. 这个典型的应用电路线图表示怎样加这个线路而不影响电路的其它部分. 一个由3个二极管和 2个电容器的简单电路被加在ac整流输入的后面去改善输入电流的谐波失真和达到功率因数大于0.85.

电感设计
提及典型的应用电路,可以从电感中计算得到希望的LED 波纹电流的峰峰值. 但在典型的应用,这样的波纹电流被选取为正常的LED电流的30%. 在这个例子中, 正常电流ILED 是350mA.下一步是得出 LED灯串上的总电压降. 例如, 当灯串由10高亮度的LED组成且每个二极管在它的额定电流时的正向压降为3.0V; 则LED 串的总电压VLEDS 是 30V.
可以知道正常的整流的输入电压=120V*1.41=169V
由此可以决定开关的占空比:
D=Vleds/Vin=0.117
然后,给出开关频率,在此例中Fosc=50KHz,这样计算功率管MOSFET的导通时间:
Ton=D/Fosc=3.5us
有这些必须的数值,可以计算出电感值:
L=(Vin-Vleds)*Ton/(0.3*Iled)=4.6mH

降压型(BUCK)拓扑设计 

当需要的LED灯串接电压比供电电压低时,需要选用降压型拓扑.上面的介绍都是适用这些设计要求的说明.然而设计者必须满足输入电压维持在LED灯串电压2倍一样为合适.这个限制是因为HV9910工作在降压型拓扑时占空比大于0.5时电流输出稳定,不稳定的显示在输出电流它本身在开关谐波影响下会自激震荡.


HV9910在使用工程当中经常会遇到的问题!

问:MOS管会损坏和LED烧毁等情况?
答:设计条件在供电电压相对稳定、有限压保障,负载不大于8W LED条件下是比较合理的.供电电压波动会顺坏线路器件.

问:MOS和肖特基二极管发热严重?
答:热量肯定是有的.电流值、耐压不是越高越好,合适即可.最重要的也是最主要的热源是二极管的Vf值和mos的导通结电阻,这个值是我们选择器件的首要指标.

问:发现LED会有闪烁现象?
答:在降压型设计是供电电压要高于LED正向电压总和1倍以上为合理,有时我们设计可能没有办法满足这个条件,可以适当增加在LED两端电容或电容容量方法加以解决.