PWM驱动MOS管控制并联LED灯亮度及通断的几个疑惑

登录 · 发表于 2017-10-23 17:08

原理图如下:
如图所示,PWM波的频率为1KHz,通过控制占空比来调节LED亮度,控制原理大概了解,主要有以下几点疑惑,烦请对此了解的网友不奢赐教~
1. FB100磁珠的作用通常来说是用来消除高频信号干扰的,一定要用在MOS管的D级吗?该磁珠的参数该如何选择;
2.MOS管S级为什么还要接一个NPN相关电路,该电路有什么作用,如果S级直接接地会有什么影响;
3.如果PWM的电平为TTL5V,该电路除了改变R102与R103的分压比外,可否选用其他的MOS管,选择的MOS管相对于原来的MOS管,参数需要做出哪些调节;
在此先谢过了.

lj920415 · 发表于 2017-10-23 17:46

短路 R101 和磁珠，并去掉三极管后的电路为原始的 LED 灯驱动电路。
根据电源电压和 PWM 信号的电压选择和计算这部分元器件的参数。

一般 LED 灯有一个特点：
灯点亮后温度会升高 -> LED 正向压降下降 -> LED 流过的电流增加 -> LED 灯温度升高……
这是一个正反馈过程最终导致 LED 灯寿命缩短，甚至直接烧坏。
为此加入 R101 和三极管进行限流。

PWM 信号会使 LED 频繁地通断。
快速地通断转换对 LED 灯来说是一种应力。
降低这种应力的方法就是让这种状态的转换过程慢下来。
因此加入磁珠，从而提高 LED 灯的可靠性。

据此，可以用另一种方法来实现同样的目的：
在场效应管 GS 间并联一个电容。
两种方案的选择可依据最终电路的器件成本来确定。

对于一般的 LED 指示灯（5mA~10mA），可不考虑此应力。

发表于 2017-10-23 20:11

电路应该去掉的是磁珠和R100，
磁珠可能会损坏LED；
R100是浪费电。

你下面那堆电路（MOS管、三极管、R101）已经构成了一个约100mA的恒流源；
通过1kHz的PWM就已经可以调节LED的亮度了。

这个电路中也不会产生“高频干扰”，有10k的R102在的话，MOS开关的边沿是很缓慢的（us级别）。

发表于 2017-10-24 09:15

Jack315 发表于 2017-10-23 17:46
短路 R101 和磁珠，并去掉三极管后的电路为原始的 LED 灯驱动电路。
根据电源电压和 PWM 信号的电压选择和 ...

多谢解答,对于你说的限流与减缓变化过在该电路中的必要性能够理解,不过磁珠是如何减慢这个过程的原理不是很清楚,我的理解是磁珠作为一个阻抗元件,用在电源侧往往是用来消耗掉高频谐波的;
另外对于你说的在GS间并联电容,我的理解是它构成了一个RC积分电路,把变化的方波变成峰峰值比较小的三角波,它实际起到一个把电压平均的作用,如果是这样,当占空比比较低时,是否会存在三角波的最大幅值小于MOS管的开启电压Vgs(th)的情形,使MOS管一直都不能导通了.(如果不平均的话,方波的高电平是肯定能够导通MOS管的,利用LED的余辉效果,应该能够保持发光的).

发表于 2017-10-24 09:25

fzyuan 发表于 2017-10-23 20:11
电路应该去掉的是磁珠和R100，
磁珠可能会损坏LED；
R100是浪费电。

多谢解答,
磁珠为什么会损坏LED,其中的机制我不是很理解,
R100在电路中的作用,我的理解是它分担一部分电路功耗,用来减少MOS管的功耗,不知到这种理解对不对;
限流与恒流,应该是有区别的,在该电路中,按0.7Vbe导通电压来计算的话,它大概构成了一个140mA左右的限流保护电路;
10K电阻对MOS开关边沿的影响,以前从来没这个经验,多谢指点.

发表于 2017-10-24 09:46

磁珠为什么会损坏LED,其中的机制我不是很理解

磁珠是一种电感……减缓状态转换过程都是通过对电感/电容的充放电来实现的。

另外对于你说的在GS间并联电容,我的理解是它构成了一个RC积分电路,把变化的方波变成峰峰值比较小的三角波,它实际起到一个把电压平均的作用,如果是这样,当占空比比较低时,是否会存在三角波的最大幅值小于MOS管的开启电压Vgs(th)的情形,使MOS管一直都不能导通了.(如果不平均的话,方波的高电平是肯定能够导通MOS管的,利用LED的余辉效果,应该能够保持发光的).

在 GS 不并联电容的情况下，PWM 占空比的控制范围为 0%～100%；
并联了电容后，PWM 占空比的控制范围缩小为 a%～b%（0% < a% < b% < 100%）。
这种情况是否可接受视具体应用而定。

发表于 2017-10-24 09:52

仅对5楼的问题解释一下：
磁珠不会损坏LED，相反对LED有好处；
R100的作用，你的理解正确；
限流与恒流，你的理解正确；
因为MOS管的G极有结电容，这个电容与10k电阻构成了一个积分电路，时间常数越大G级的电压速率变化越慢，所以会影响开关的边沿。

发表于 2017-10-24 14:35

BetterLove 发表于 2017-10-24 09:25
多谢解答,
磁珠为什么会损坏LED,其中的机制我不是很理解,
R100在电路中的作用,我的理解是它分担一部分电 ...

关于磁珠，7楼所说可能更对些。但是“磁珠”是否真有那么“纯”？（本人未详细测试过，所以是揣测）

其他的说实话，因为不知你电路的意图是什么，也很难正确的分析。
图中LED||8，3V/15mA可以理解为8个LED并联，每个LED的电流控制在15mA以下？
不知这个LED灯做何用，8个LED直接并联并非好方案，这种操作对LED的VF一致性要求是很高的。
而且，电源电压是12V，却只用了3V来点灯，浪费严重。
如果条件允许，可以采用3串3并形式（每串中加一个几欧姆的电阻），共9个LED。

如果，这个LED灯是用来做某些机器视觉类的光源，那么就很不适合用PWM来调光了。

当前电路，如果PWM占空比100%，那么CJ2310上的功耗将达到0.52W，如果这个管子是SOT23封装，肯定是不行的。

另外，那部分不是限流电路，而是恒流，只是这个恒流的温度特性较差而已。
你任何一次开启，此电路的MOS管都是工作与线性状态，没有意外，而且，负载电流也不会有其他值，所以叫恒流。

发表于 2017-10-24 15:59

这个电路的设计者没有搞懂大功率LED的特性，想当然的设计。

发表于 2017-10-24 23:41

Jack315 发表于 2017-10-23 17:46
短路 R101 和磁珠，并去掉三极管后的电路为原始的 LED 灯驱动电路。
根据电源电压和 PWM 信号的电压选择和 ...

一般 LED 灯有一个特点：
灯点亮后温度会升高 -> LED 正向压降下降 -> LED 流过的电流增加 -> LED 灯温度升高……
这是一个正反馈过程最终导致 LED 灯寿命缩短，甚至直接烧坏。
为此加入 R101 和三极管进行限流。

每错啦，分析到位

发表于 2017-10-25 08:51

caijie001 发表于 2017-10-24 23:41
一般 LED 灯有一个特点：
灯点亮后温度会升高 -> LED 正向压降下降 -> LED 流过的电流增加 -> LED 灯温度 ...

如果电路中出现了“灯点亮后温度会升高 -> LED 正向压降下降 -> LED 流过的电流增加”这样情况，
那么已经可以肯定地说，这是个错误的设计。

VF标称为3V的LED，只有蓝光LED以及以蓝光激发黄色荧光粉的白光LED，
白光LED常用作照明，为了得到稳定的光强，需要恒流供电；
所以，将其恒流驱动理解为“限流”就是错误的。

人家LED的手册上只会提供光强（或光通量）与电流的关系曲线，而不会有电压的。

发表于 2017-10-27 16:50

fzyuan 发表于 2017-10-25 08:51
如果电路中出现了“灯点亮后温度会升高 -> LED 正向压降下降 -> LED 流过的电流增加”这样情况，
那么已 ...

我也感觉是限流的。如果电流过大，在R101上的压降大于0.7V时，三极管导通，MOS管关断。如果电流小于设定值，根本不可能恒流。

发表于 2017-10-27 20:41

请教2个问题：
1.室温下，当R101的压降为0.55V，三极管会怎么样？
2.假设，PWM(3.3V)端口为1kHz方波（0～3.3V），并且在PWM(3.3V)为高电平时，负载（LED）电流小于“限流”（所谓小于“限流”，是指三极管和场效应管未处于线性区）的时间占比是多少？

登录 · 发表于 2017-10-28 19:56

fzyuan 发表于 2017-10-25 08:51
如果电路中出现了“灯点亮后温度会升高 -> LED 正向压降下降 -> LED 流过的电流增加”这样情况，
那么已 ...

确实 LED 应该用恒流驱动。
LZ 的图应该不是一个优秀的设计。
或许只是拿来探讨原理的。

如果是用于实际产品中的电路，
或可考虑下列简易实用的驱动电路（小电流情况）：

根据 LED 电流要求以及电源电压等，
改变这两个电阻的阻值即可。

假设（PWM 信号的）电源电压为 3.3 V，要求的 LED 电流为 15 mA。则
R802 = 0.7 V / 15 mA = 46.67 Ohm （取 47 Ohm）
LED 电流 = 0.7 V / 47 Ohm = 14.89 mA

假设三极管电流放大倍数为 50，则
R801 的基极电流 = 14.89 mA / 50 = 0.2978 mA
R801 = (3.3 - 0.7 - 0.7) V / 0.2978 mA = 6.38 KOhm (取 6.2 KOhm）。

发表于 2017-10-29 09:49

本帖最后由模拟粉于 2017-10-29 09:52 编辑

Jack315 发表于 2017-10-28 19:56
确实 LED 应该用恒流驱动。
LZ 的图应该不是一个优秀的设计。
或许只是拿来探讨原理的。

请问q802是处于放大状态，而q801是饱和状态吗？
那么r801取很小都行

发表于 2017-10-29 10:24

模拟粉发表于 2017-10-29 09:49
请问q802是处于放大状态，而q801是饱和状态吗？
那么r801取很小都行

对这个电路，我的理解和你的相同。

R801 确实可以考虑取更小的阻值，
尤其在 PWM 信号频率较低的时候。

当 PWM 频率升高的时候，
可能又会涉及“深度饱和”的问题……
在这种情况下，R801 应该有一个最优的取值。

发表于 2017-10-29 11:22

Jack315 发表于 2017-10-29 10:24
对这个电路，我的理解和你的相同。

R801 确实可以考虑取更小的阻值，

你在17楼的电路是不会“深度饱和”的。

而且，如果图中三极管没有损坏的情况下，R802的电压也不可能达到0.7V。
R801只要足以驱动Q801就可以了，为了提高响应，可以在R801上并联一个几十pF的电容。

发表于 2017-10-29 11:41

fzyuan 发表于 2017-10-29 11:22
你在17楼的电路是不会“深度饱和”的。

而且，如果图中三极管没有损坏的情况下，R802的电压也不可能达到 ...

假设 Q801 接 LED 和 VCC，则：
R802 上的压降为 Vbe = 0.7 V；
Q801 上的压价为 Vce；
LED 上的压降为 Vf =3 V。
Vce = Vcc - Vf - Vbe = Vcc - 3.7 V

在大部分情况下 (Vcc >= 5V) ，
Q801 确实不会进入饱和状态。

发表于 2018-7-16 09:33

磁珠不会对MOSFET开关时间做出任何影响，+磁珠的目的呢可能有两个：
1.电源滤波；
2.RF干扰滤波；

发表于 2018-7-16 09:46

注意，磁珠不是电感

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