一个大功率LED电路板的故障排除

通过凯尔猎人 7个月前 1评论
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理解如何正确地排除电路故障是作为一个电子设计人员应该掌握的一项重要技能。无论你是多么精通设计和布局,许多天将花费在耗时的电路故障排除。这是至关重要的,有一个坚实的理解电路设计基础,也有可用的设备。这种设计需要一个示波器,一个烙铁,和一些电阻和电容器来排除故障。

本文讨论了一种大功率LED板。我们是根据客户的详细规格设计的。电源来自一个单一的24VDC电源-为了测试,我们使用了一个30A Extech可调电源(PSU)。总共有100个led, 11种不同类型的led。LED链的长度和正向电压分布非常不一致,导致从一开始就具有挑战性的设计。许多PCB布局技术来自于我在the高功率PCB设计技巧篇文章。我不会在这篇文章中讨论PC板的布局。

主24VDC输入电源,配有熔断器、TVS二极管和电容器作为滤波器

图1:主输入电源为24VDC。电源通过保险丝,电容器滤波,和电视二极管保护从瞬变。

设计背景

这个设计最具挑战性的部分是确定如何最好地驱动led。我们需要有充分的亮度控制,并尽量减少热量产生。第一种选择是使用恒流LED特定驱动,既线性驱动,也有内部开关稳压器驱动。我们几乎立即消除了线性驱动。每条LED线的驱动功率约为1安培,有些线只有4个LED。例如,当正向电压为3V时,这就要求驱动器耗散(24V - 3V * 4) * 1A = 12瓦。12瓦的功率远远超过了大多数司机可以安全地消散。

下一个选择——也是我最初计划使用的——是为每条链使用一个单独的开关驱动程序。这种方法的优点是每条链都能非常高效地运行,因为大多数现代开关调节器的效率都超过80%。这样做的缺点是,由于我们使用的是24VDC电源,我们无法将所有11个LED模型集中在11股上——我们没有足够的电压空间。我们需要18条不同的线。PCB相当大,但有18开关调节器开关高功率负载的想法不是我感到舒服的事情,除非没有其他选择。

组合线性和开关电源

我们决定采用一种“混合”的方法。我们设计了几根线,所以在24伏的电源上有几伏的净空。例如,一种LED的正向电压为2.8V。在一条单链上使用8个,我们只需要降低24V - (8 * 2.8V) = 1.6V。当驱动在1A,这是只有1.6W的耗散-很容易做到与一个或两个高功率电阻。

总共有9条led线,我们可以这样驾驶——几乎是所需线的一半!图2显示了其中两条线的示例。

低侧MOSFET驱动24V LED线。这是需要排除故障的电路块

图2:一个低侧n通道MOSFET驱动每一个LED线,而一个专用的MOSFET驱动开关MOSFET开/关。这张图片显示了由24VDC轨道直接驱动的长链。

然后我们分割24V供应轨道成三个额外的轨道使用开关稳压器。我们选择7V, 13V和16V。有了这些特定的电压,我们就可以用与较长导线相同的方式驱动其余较短的导线,并分别使用一个或两个电阻来消耗多余的功率。这种方法似乎是最好的两个世界,因为我们可以直接PWM所有的线,他们将响应相同,同时也受益于高效率的开关地形。

开关调节器将24伏降至13伏。

图3:RT8279开关调节器将电压轨道降低到特定的电压,使得led可以从新的轨道上线性驱动。

如图3所示,开关调节器使用了CLC输入滤波器。该滤波器确保高频开关噪声将不会离开调节器和夫妇与任何其他板上。在这些轨道上也有大量的输出电容。如图4所示,这条新的轨道为其他较短的发光二极管供电。

低侧MOSFET驱动led在14V。这个电路上的低电压块不需要任何故障排除

图4:新的13V轨道驱动较短线上的led。新的电压轨减少了电力损失的电阻。

初始测试

一旦PCB设计、制造和组装完成(这本身就是一项相当艰巨的任务),就到了测试电路板的时候了。我们开始以全功率单独测试每一条线。它们都按预期运行。接下来,我们测试了他们与PWM信号-我们使用100Hz最初。所有股的占空比从10%左右开始,然后慢慢增加。一旦达到20%,我们的电源开始出现各种错误和问题,基本上进入过电压锁定,然后完全关闭。然后我们尝试了100%的占空比并从那里减少了它。它工作正常,直到80%时,同样的问题发生。

在振荡器上对该电路的故障排除显示在24V轨道上有3.23V的电压降。

图5:电路故障排除时,振荡示波器在驱动PWM信号的频率上显示了一个很大的电压降。

开始排除电路故障

在主24V输入轨道上有一个问题,所以我们开始在那里进行电路故障排除。我们把一个示波器接到主板的输入端。我们看到一个3.5V的Vpp信号与100Hz的声音频率,相同的频率,我们正在驱动led在(图5)每次PWM脉冲高,它下降了几伏的主要电压轨道。电压波动解释了PSU不高兴的原因。

下一步是看看我们是否能把这个问题再分离出来。这种设计的复杂性主要体现在开关稳压器上。我认为导致下降的是那些穿过它们的线。所以我们关掉了所有的24V股,只有PWM的开关调节器的股。这几乎消除了铁路上的问题。仍然有一个小的电压凹陷,但没有近到足以引起电源抱怨。虽然很明显,固有的24V链是问题所在,但我们仍然对它们进行了独立测试。正如预期的那样,示波器显示了同样的巨大电压骤降,电源再次报怨。

因为我们用mosfts驱动led,当PWM信号高的时候,每条线上都会有1A的电流浪涌。对于任何电力线路来说,这都是一个很大的电流供应。我们使用的MOSFET驱动器在它的输出和MOSFET的门之间有一个100R电阻。改变这个值将减慢或加快MOSFET将打开的速率。因此,这改变了当前激增的速度。所以我们改变了数值从100R到1K,然后500K,甚至1M。

虽然改变栅极电阻确实解决了电压凹陷问题,但它的启动非常缓慢,以至于MOSFET在整个时间内都停留在线性区域。它本质上是一个恒流放大器,而不是一个简单的开/关开关。当一个驱动一个MOSFET像这样,功率损失将是太多的消散。

一个可能的解决方案吗?

然后我们决定直接研究为什么由其他轨道驱动的钢绞线没有任何问题。首先是我们放在每个调节器前面的CLC滤波器,其次是调节器的输出端有很多电容。CLC过滤器使得即使噪声出现在这些LED线上,它也不会通过过滤器而影响到24V轨道。体积电容将有助于防止电压骤降的发生。

最容易测试的选项是电容。我们把一个1000uF的电解电容直接放在主24V电源接头上。然后我们打开24V线,检查示波器。Vpp从3.5V降到了2.5V,对于电源来说还是太多了,但至少我们的方向是正确的!然而,我们在板子上的空间太有限,不能使用这种方法。我们无法在电路板上安装一个1000uF的电容器,更不用说潜在需求的3或4个了。因此,尽管增加更多的体积电容似乎是一个解决方案,但这对我们来说是不可行的。

实际的解决方案

我想说我们建立了一个完美的游戏计划如何进行,但我不能。我们只是开始尝试一些不同的想法,直到发生故障,这是故障电路经常成为。我们将PWM频率改为20kHz,电压降降低了一半以上。电压降与20kHz相同。然后我们试了30 kHz,然后50 kHz,电压下降在示波器上不再明显。电源驱动负载不再有任何问题。在所有占空比和所有LED线运行的情况下,这个问题100%得到解决。最好的解决方案就是简单的软件更改!

一旦我们完成故障排除电路,它亮了完全按照设计!

图6:经过几天的故障排除,电路终于能正常工作了!

解决方案的解释

现在,在我讨论为什么仅仅改变PWM频率解决了我们的问题背后的原因之前,我必须说,这是我们相信的推测和最好的猜测。如果不进行更深入的故障排除和模拟电路测试,我们就不能100%地知道我们完全理解了原因。

100赫兹的频率

  1. 董事会被权力;输入电容器充满电。
  2. 第一个PWM信号打开所有led,所有一次。
  3. 电流浪涌完全耗尽电容器。这迫使董事会试图从电源直接来源的电流。
  4. 由于在电源引线上有电感和电阻,PSU无法提供电路板需要的电流。
  5. 电路板上的电压下降,直到供应能“赶上”能源需求。
  6. PWM周期关闭;所有的电容器都能充满电。
  7. 重复

50赫兹的频率

  1. 董事会被权力;输入电容器充满电。
  2. 首先PWM信号打开所有led,所有一次。
  3. 电流浪涌开始耗尽电容器。
  4. 在电容器完全耗尽之前,PWM周期关闭,允许电容器充电回来。
  5. 重复

在100赫兹时,我非常确信我的解释是有效的,因为没有什么其他的东西可以解释它。对于50kHz的解释,我认为可能还有一个额外的因素正在发生。如前所述,在PSU引线的布线造成的电阻和电感之间的PSU和板。在较高的频率下,我相信电感的磁场可以维持在10+安培的水平。PSU看到一个恒定的10安培draw PWM在一个足够高的频率。而当在100Hz时,它看到开关/关闭,它无法跟上。

您排除故障的每个电路都将是不同的。重要的是拥有正确的工具和背景知识,以便知道从哪里查找问题。我希望这篇文章能够帮助展示一个真实的例子,说明我们如何能够通过一个简单的软件更改来解决一个看起来令人困惑的问题。

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电路设计
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一个评论

  • 格雷格·a·伍兹 说:

    做得好!

    我好奇的是,最初选择的PWM频率为100Hz -为什么这么低?有趣的是,你必须跳上这么多数量级才能让事情充分平滑。你能做到吗?或者你是慢慢地做到的,还是只是瞎猜?

    稍微多解释一下PWM信号的使用和来源会很有趣,特别是你如何修改它来改变占空比和频率。我也很好奇,如果有/有任何行为的改变,为一个给定的NCP81071B与你分别驱动的股(分开的INA和INB频率和/或占空比),相对于那些,两股是由相同的PWM信号驱动。

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