LED照明回路中恢復(fù)二極管的選擇
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3 問(wèn)題分析
圖1中采用恒定頻率的工作模式，電流采樣電阻RCS(由R2、R3、R4并聯(lián)組成)，R1電阻阻值為100k Ω，工作頻率為200kHz。
通電后，U1的GATE管腳輸出高電平，Q1導(dǎo)通，+24V電源電流經(jīng)濾波器件后到U1管腳1，再經(jīng)D3、L3、Q1、RCS流回24V地，此時(shí)是電感L3儲(chǔ)能過(guò)程；U1通過(guò)電流采樣電阻RCS檢測(cè)其兩端的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到250mV時(shí)，U1的GATE管腳輸出低電平，關(guān)斷Q1?；芈分杏捎陔姼蠰3存儲(chǔ)了電能，當(dāng)Q1關(guān)斷后，L3將釋放其儲(chǔ)能，釋放回路為：電流從L3的一端流出，經(jīng)D2、D3，最后回到L3的+端，維持D3繼續(xù)發(fā)光。
3．1 恢復(fù)二極管恢復(fù)特性
二極管和一般開(kāi)關(guān)的不同在于“開(kāi)”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定，而且“開(kāi)”態(tài)有微小的壓降，“關(guān)”態(tài)有微小的電流。當(dāng)電壓由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，電流并不立刻成為-I0，而是在一段時(shí)間ts內(nèi)反向電流始終很大，二極管并不關(guān)斷；經(jīng)過(guò)ts后，反向電流才逐漸變小，再經(jīng)過(guò)tf時(shí)間，二極管的電流才成為-I0，二極管關(guān)斷，如圖4所示。ts稱為儲(chǔ)存時(shí)間，tf稱為下降時(shí)間，trr稱為反向恢復(fù)時(shí)間，以上過(guò)程稱為反向恢復(fù)過(guò)程，這實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的。反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷耗盡所需要的時(shí)間。本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/167365.htm
圖5是引用超快速恢復(fù)二極管ES1D的使用手冊(cè)中的關(guān)斷特性曲線和測(cè)試電路。從圖中可以看出，ES1D反向恢復(fù)時(shí)間35ns，比普通二極管的恢復(fù)時(shí)間要短得多，同時(shí)ts也要小。
從圖4、5可知，由于反向恢復(fù)過(guò)程存在，當(dāng)二極管的兩端電壓由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，二極管并不馬上關(guān)斷，經(jīng)過(guò)trr后才真正關(guān)斷。
3．2 MOSFET管導(dǎo)通特性
圖6是MOSFET管的開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)試電路與波形。
3．2．1 開(kāi)啟時(shí)間ton
當(dāng)VGS由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，MOSFET管導(dǎo)通，VDS由高電平變?yōu)榈碗娖?。MOSFET管從截止到飽和所需的時(shí)間就是開(kāi)啟時(shí)間，包括VGS導(dǎo)通延遲時(shí)間td(on)和VDS的導(dǎo)通時(shí)間tr。即
ton=td(on)+tr
3．2．2 關(guān)閉時(shí)間toff
當(dāng)VGS由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MOSFETF管截止，VDS由高電平變?yōu)榈碗娖?。MOSFET管從截止到飽和所需的時(shí)間就是關(guān)斷時(shí)間。包括VGS關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)和VDS的關(guān)斷時(shí)間tf。即
toff=td(off)+tf
通常情況下，toff>ton，開(kāi)關(guān)時(shí)間一般在納ns數(shù)量級(jí)，高頻應(yīng)用時(shí)需考慮。
3．3 問(wèn)題原因
由于恢復(fù)二極管trr的客觀存在，圖1中電路的實(shí)際工作過(guò)程如下：
工作階段：U1中GATA輸出高電平，經(jīng)過(guò)ton時(shí)間后，Q1導(dǎo)通，D2關(guān)斷，24V電源從正流出，經(jīng)濾波電路后到U1管腳1，再經(jīng)D3、L3、Q1、RCS流回電源負(fù)端。此時(shí)L3充電儲(chǔ)能。
續(xù)流階段：U1中GATA輸出低電平，經(jīng)過(guò)toff時(shí)間后，Q1關(guān)斷，D2正向?qū)?，電流從L3的+端流出，經(jīng)D2、D3，最后回到L3的一端，電感釋放儲(chǔ)能。
純消耗階段：Q1導(dǎo)通，D2處于trr階段；24V電源從正流出，經(jīng)D2(D2反向?qū)?，Q1、RCS回到電源負(fù)。RCS阻值為0．4 Ω，此時(shí)回路電流很大(24／0．4=60A)，且能量全部轉(zhuǎn)換為熱能，消耗在D2、R2、R3、R4、Q1管上，引起器件的發(fā)熱。
文章中電路工作是工作階段、續(xù)流階段、純消耗階段三種階段周而復(fù)始的循環(huán)過(guò)程。純消耗階段越短，電流流經(jīng)D3回路的時(shí)間越長(zhǎng)，裝置效率越高。
文章中電路初期設(shè)計(jì)中，選用了快速恢復(fù)二極管FR207，trr為150ns，當(dāng)MOSFET管工作頻率為200kHz時(shí)，即周期為5 μs，根據(jù)圖3中的描述，電感電流工作在連續(xù)的模式，此時(shí)在一個(gè)周期中，占空比略大于0．5，也就是說(shuō)trr為工作階段的的6％(0．1 5／2．5=0．06)，另外純消耗階段回路電流(60／0．63≈10)約為其他階段的10倍，正是FR207的trr太大造成了器件發(fā)熱，效率低，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
3．4 問(wèn)題的解決
將FR207更換為ES1D后，純消耗階段縮短了4倍，問(wèn)題解決。實(shí)際上將ES1D更換為肖特基二極管SS1100效果更好，用測(cè)試設(shè)備測(cè)試FR20、ES1D、SS1100的恢復(fù)時(shí)間，結(jié)果SS1100最短(約為10 ns)，同時(shí)驗(yàn)證了本章的分析。
4 結(jié)論
在由PWM芯片實(shí)現(xiàn)的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路中，續(xù)流回路二極管應(yīng)該選用trr短的超快速恢復(fù)二極管，當(dāng)電壓低時(shí)，盡量選用肖特基二極管。通常情況，我們常常會(huì)忽略掉純消耗階段的存在，真正理解了二極管的反向恢復(fù)特性，才能設(shè)計(jì)出合理的電路。另外當(dāng)二極管在較高頻率當(dāng)作“開(kāi)關(guān)”使用時(shí)，如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比trr短，則二極管在正、反向都可導(dǎo)通，起不到開(kāi)關(guān)作用，即二極管的單向?qū)щ娦栽谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)是正確的。
評(píng)論