AN1205 Rev A/0，Jul. 2012 高性能射灯方案 WS3215系统演示板 AN1205 L-003-3215K-350/700mA/9~10.5V 专注功率器件稳定性第一品牌！ 基本特性 ·极少的外部元器件 ·输入电压范围从8 伏到40 伏 ·输出电流可调，最大可达1.5 安培 ·模拟调光和宽范围PWM调光 ·内置短路保护 电路原理图描述 WS3215和电感（L）、电流采样电阻（RS）形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压型恒流LED 控制器。VIN上电时，电感（L）和电流采样电阻（R S ）的初始电流为零，LED输出电流也为零，这时CS 比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低。电流通过电感（L）、电流采样电阻（RS）、 LED和内部功率开关从VIN流到地，电流上升的斜率由VIN、电感（L）和LED压降决定，在RS上产生一 个压差VCSN， 当(VIN-VCSN) >115mV时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个 斜率流过电感（L）、电流采样电阻（RS）、LED和肖特基二极管（D），当(VIN-VCSN) < 85mV时， 功率开关重新打开，这样使得在LED上的平均电流为： 高端电流采样结构使得外部元器件数量很少，采用1%精度的采样电阻，LED输出电流控制在±5%的 精度。通过PWM调光，LED的输出电流可以从0%到100%变化。LED的亮度是由PWM信号的占空比决定的。例 如PWM信号25%占空比，LED的平均电流为(0.1/RS)的25%。建议设置PWM调光频率在100Hz以上，以避免人 的眼睛可以看到LED的闪烁。WS3215调光频率可高至50KHz。 DIM管脚也可以通过外加直流电压(VDIM) 调小LED电流（模拟调光），最大LED电流由采样电阻RS 决定。直流电压(VDIM)的有效的调光范围是0.5V到2.5V。当直流电压(VDIM)高于2.5V，输出LED电流保 持恒定，并由(0.1/RS)设定。LED电流还可以通过DIM到地之间接一个电阻到进行调节，内部有一个上拉 电阻（典型1.2 兆欧姆）接在内部稳压电压5V 上，DIM管脚的电压由内部和外部的电阻分压决定。DIM 管脚在正常工作时可以浮空。当加在DIM上的电压低于0.3V时，内部功率开关关断，LED电流也降为零。 关断期间，内部稳压电路保持待机工作，静态电流仅为50uA。此外，为了保证可靠性，WS3215内部包 含过热保护功能（TSD），封装含有散热PAD。过热保护功能在芯片过热（160℃）时保护芯片和系统， 外部的散热PAD增强了芯片功耗，于是，WS3215能够安全地输出较大电流。WS3215还可以通过DIM管 脚外接热敏电阻（NTC）到LED附近，检测温度动态调节LED电流保护LED。 L-003-3215K-350/700mA/9~10.5V AN1205 专注功率器件稳定性第一品牌！ 图 1 WS3215 典型应用图 实物照片 图 2 3W 射灯 Demo-Board（14*13*11mm） 设计指导 1. 电原理图及 BOM 图1 是驱动3 颗1W白光LED 的电原理图，它是12～24V 电压范围里交直流两用的，D1～D4组成 整流桥，这个桥有两个功能，在输入是交流电源的时候，把交流整流成直流；在输入是直流电源的时候， 起极性转换作用，无论输入电源的极性如何，都能保证电路正常工作。CIN 是滤波电容，把脉动直流变 换成平滑的直流。RS是取样电阻，它决定恒流源的绝对精度。L是镇流电感，把100KHz的脉冲电流变换 成三角波电流，L的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。D5是续流二极管，在芯片内部MOS 管 处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路。由于工作在高频脉冲状态，D5应选用正向压降小， 恢复速度快的肖特基二极管。芯片的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻作辅助 温度控制和自动亮度控制。如果不用这些功能，DIM 端口悬空。 L-003-3215K-350/700mA/9~10.5V 第 3 页 共 7 页 AN1205 专注功率器件稳定性第一品牌！ WS3215 图 3：WS3215 驱动三颗 1W 白光 LED 的原理图 表 1：不同恒流模块的电气参数 1 颗 1W LED 3 颗 1W LED 1 颗 3W LED 最小输入电压 Vinmin(V) 7.6 12 7.6 最大输入电压 Vinmax(V) 24 24 24 直流最大输入电压 Vinmax(V) 40 40 40 恒流值 ILED(mA ) 350 350 700 恒流值精度 5% 5% 5% 效率 92% 93% 93% 温度保护阀值 (℃) 160 160 160 项目 表 2：元器件表 名称 型号 D1～D4 肖特基二极管 SS14 CIN 陶瓷电容 100uF/25V RS 贴片电阻 0.27Ω/0.1W（350mA） 0.13Ω/0.1W（700mA） D5 肖特基二极管 SS14 IC 恒流源芯片 WS3215 2.调试细则 当进行测试时，需要一台配备电流探头的示波器和一台功率分析仪。模块焊接无误后，首先测量VIN 端的电压，工频交流输入时，负载空载，VIN 是输入电压的1.4 倍，有载时是1.2 倍。高频交流输入（电 子变压器）时，VIN 是高频脉冲的整流后的有效值，此值与高频脉冲的占空比有关。例如PHILIPS 220V-12V 电子变压器，输出端的脉冲约30p-p，通过整流后VIN 电压只有11V，因为脉冲占空比约0.3。 直流输入时，VIN 比输入电压低0.3V（肖特基整流管）。然后可以接上负载测量SW 端的波形和流过负 载的电流。电路工作的正常标志时WS3215 的SW 脚有开关脉冲波形，流过LED 的电流是充放电状态 的三角波，它的平均值是LED 的工作电流，即模块的恒流值。调整RS 的值可以改变恒流值，它决定一 L-003-3215K-350/700mA/9~10.5V 第 4 页 共 7 页 AN1205 专注功率器件稳定性第一品牌！ 批产品的绝对精度，建议RS 的最低精度不要小于百分之一。在表1所示的工作电压范围里，如果恒流精 度低于10%，建议采用电感量更大的功率电感。 3.采样电阻的选择 采样电阻RS 应选用0805 的金属膜电阻，电阻的阻值与负载电流有关，工程上用下列公式计算： 例如，负载是2 颗1W 的白光LED，查得工作电流是350 毫安，采样电阻得值是： 4.镇流电感的选择 电感是这个电路中的关键元件，从原理上讲，电感量越大，恒流精度越高。例如用47 微亨的电感， 输入电压在8～30V 范围里变化，恒流精度是30%；如果用220 微亨的电感，恒流精度就能提高到9%以 下。影响电感质量的重要因素是磁性材料，建议采用锰锌4000，居里点400的磁性。磁性电感的最大缺 点是很容易产生硬饱和，这在用户的设计中经常发生。一旦发生磁饱和后果往往是灾难性的，会瞬间烧 坏芯片或LED。因而，推荐按表3 数值选择电感，尤其注意电感的饱和电流一定要不小于表3 中的值。 一般饱和电流小的电感铜线较细，Q值也较小，这种电感即是没发生磁饱和稳流效果也会很差。 表3：电感L的选择 负载电流 饱和电流 电感量 Q 值 ILED (mA) IMO (A) （uH） (100KHz) < 400 > 0.6 68~220 > 35 400~800 > 1.2 68~100 > 40 800~1200 > 1.8 47~82 > 45 5. 整流二极管的选择 由于MR16 的驱动板空间有限，通常建议选用体积小、导通压降低的肖特基二极管（1A，40V）搭 建整流桥，推荐型号为MBRS140，其封装体积较小，300mV 左右的导通压降有利于最大可能的提高转 换效率。 但是如果输入输出压差超过8-10V 以上时，从散热的角度以及保证系统能够长时间稳定工作的方面 考虑，则应选择体积稍大散热条件较好的SS14 产品，SS14 在成本方面也有优势，但是其导通压降大 约在500mV 左右。成本和转换效率就看您如何取舍了。 6. 使用高频电子变压器作输入电源的问题 高频电子变压器是把工频交流高频交流的转换器，输出的电压波形不是正弦波，而是不连续的脉冲 波形，有的还伴有寄生振荡，这种电源有下面问题： （1）内阻很大。 L-003-3215K-350/700mA/9~10.5V 第 5 页 共 7 页 AN1205 专注功率器件稳定性第一品牌！ （2）整流后不是平滑的直流。 （3）存在较大的EMI。 对于第（1）点，用示波器测试电子变压器的空载输出电压，脉冲幅度的峰峰值很大，交流12V 标 称输出端的间歇脉冲有35～50V。接上负载后，会降到30V 左右，而且输出电压会随着负载电流而变化。 全波整流后有效直流电压会降到11V 以下，驱动3 颗串联的LED 就会点不亮。 对于第（2）点，由于是间歇振荡结构，整流后电流不是连续的，LED 会产生闪烁现象。纹波宽度 等于间歇振荡频率的周期，有几到几十毫秒。不同厂家的产品频率会有差异。下边的波形是用电流环测 量流过LED 的电流，可以看出是不连续的。 对于第（3）点，由于高频变压器有高频振荡和间歇振荡两个频率，WS3215 的SW 端也有一个振 荡频率，三个频率本身和它们互调产生的组合频率会在很宽的频带上产生电磁辐射，干扰其它电气设备。 注意不能用三用表的交流电压档直接测量高频电子变压器的输出电压，因为三用表的交流频响。 如果用户一定要在低于11V 的电压点亮3 颗LED，可以用图4 所示的自适应升降压拓扑结构，它能 在7.5～12V 电压范围内点亮3 颗LED。使用这种方案时电流检测电阻RS 的取值要适当大一点，使V IN －V CSN <150mV，否则内部短路保护电路就会启动而关断MOS 管，使LED 熄灭。我们推荐的RS取值范 围是0.28～0.3 欧姆，用精度1%的电阻，在交流输入7.5～12V 的范围内都能驱动3 颗1W 的LED，输 入电流是242～348 毫安。这种方法的缺点是效率略低，恒流效果不如图3 电路，但工作状态是安全可 靠的。 WS3215 图4：自适应升降压LED 驱动方式 7．PCB 注意事项 WS3215 是工作在几百千赫高频下的功率器件，PCB 设计要注意电流容量，散热和EMI三项事宜。 首先要注意PCB 板上的铜箔厚度和过孔的直径和数量。推荐按照2.5A／cm 2 的规范设计电流回路的有 效截面积，因而D1～D4、RS、LED、L、SW、D5 这些节点的PCB 铜箔宽度不小于3 毫米，并镀锡加 筋，金属化过孔过孔直径不小于0.3 毫米，用4 孔并联，用焊锡填充。MR16 射灯的灯座中，空间小， L-003-3215K-350/700mA/9~10.5V AN1205 第 6 页 共 7 页 专注功率器件稳定性第一品牌！ 散热条件差，要挖掘一切潜力保证散热。芯片的Exposed pad 要可靠地焊接在PCB 铺铜上减小热阻， 协助散热，双面地铺铜总面积不应小于180 平方毫米，并且用多个金属化过孔连接起来。当输入功率减 去输出功率大于1.5W 时，不适于安装在MR16 灯座中。WS3215 的开关频率在1MHz 以下，芯片在扩 频模式下工作，设计中已经考虑到EMI，若PCB 设计中用滤波和屏蔽手段可进一步减小EMI。 L-003-3215K-350/700mA/9~10.5V 第 7 页 共 7 页 AN1205 专注功率器件稳定性第一品牌！