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XL3001延时启动电路解析

引言 

在设计LED灯PWM调光方案时,若方案设计为默认上电LED灯不亮,在样板做好进入测试阶段时,会发现每次通电瞬间会出现LED灯会先闪烁一下,然后灭掉,之后也可以通过单片机实现正常的调光与开启与关断功能,但通电瞬间闪烁的现象始终存在,这往往对工程师造成困扰。下面以XL3001为例,简述原因及解决方法。 

LED灯闪烁原因 

图1.XL3001调光电路 

图1为XL3001的PWM调光电路,此电路PWM信号高占空比时,输出电流小;低占空比时,输出电流大。若客 户的方案设计为通电后默认不亮,通过单片控制驱动,再来点亮LED;若不加其他对测方法,则会造成上电时LED先亮再灭的现象。因为在上电时,由于单片机启动较慢,无法在上电瞬间立即给CS引脚高电平,从而导致LED灯会先亮,等单片机启动完成后,再给CS引脚提供高电平,LED灯才会灭掉(单片机通电时默认把LED驱动关闭,才能实现默认LED灯灭的状态),这也就导致了LED上电闪烁。 

解决方法 

方案1: 

将PWM调光模式更改,占空比越大,输出电流越大,原理图见图2。 

图2.PWM反向电路

反向后,上电时,CS默认为高电平,使XL30XX芯片关机;单片机启动后,正?刂剖涑龅缌鳌5⒁猓耸痹龃笳伎毡龋涑龅缌髟黾樱患跣≌伎毡龋涑龅缌骷跣。朐吹恼孟喾础 

图中的DZ1稳压管的精度会影响调光电流的一致性。 

方案2: 

上电默认关机,单片机启动后,使用单片机开机,电路原理如图3(洋红色线框部分)。 

当刚上电时,单片机未启动,Q1不导通,VIN电压通过R4、R1分压后加到芯片的CS引脚上,使CS引脚电压高于正常工作电压(0.21V),芯片关机不工作。单片机启动后,给“MCU IO”处高电平,Q1导通,VIN的电压无法加到CS引脚上,芯片开始正常工作,从而避免了上电时的闪烁。但此方案需要用到单片机两个I/O口。

图3.单片机延时启动电路 

方案3: 

利用电容充电延时方法,给单片机提供响应时间,延迟启动电路原理图见图4(洋红色线框部分)。 

图 4.电容充电延时启动电路 

系统通电初期,输入端电压通过R5,R4给C3充电,C3两端电压不能突变,三极管Q1的VBE<-0.7V,Q1导通,CS被拉高,芯片不工作。随着C3电压逐渐上升,最终Q1关断,芯片开始正常工作,从而起到延时启动的作用。 

R5、C3用以调整延时时间,R4用以减小因Q1管放大倍数的离散性而造成的延时时间差异(R4越小,Q1放大倍数的影响越小,但会大幅减小延时时间),R6是关机后C3的放电回路。需要注意的是,输入端电压对延时时间有较大影响,VIN=24V时示波器截图见图5。黄色为VIN电压,绿色为CS电压,从图中可以看到,按上述电路,芯片启动约延时260ms。更多器件、电压组合的延时结果见附录 1。 

图5.上电启动延时 

方案4: 

方案3电路简单,但延时时间容易受PNP管放大倍数、输入端电压的影响,且计算方法复杂。方案4是方案3的改进版,原理图见图6(洋红色线框部分)。 

图6.改进的电容充电延时启动电路 

上电时,C3相当于短路,Q2、Q1导通,CS处于高电平状态,XL3001关机;随着C3充电至一定程度,Q2、Q1关断,芯片开始正常工作。注意,为计算方便,选择电阻时,使R8=R7,否则下面的计算不成立,R7不等于R8的计算公式见附录2。 

延时时间计算方法如下: 

1.计算电容充电的时间常数:

τ = R7 ? C3 = 51 × 10 3 × 1 × 10 ?6 = 0.051s 

2.计算延时的时间常数个数,其中 VBE 为 Q2 的 BE 间压降: 

3.计算延时时间: 


t = x ? τ = 2.78 ? 0.051s = 0.142s

实验验证,按图6电路,示波器截图见图7,黄色VIN电压,绿色CS电压,蓝色SW电压。从截图中看,延时时间约为0.156s,与计算结果接近。 

图7.延时时间对比图,左侧未加延时,右侧加延时 

不同输入电压下,延时的时间常数个数见附录3。 

附录1: 

方案3部分参数对应的延时时间(单位s): 

注:除R5与C3外,其余参数按图4配置,Q1按放大倍数100计算,以上为理论值,与实际值会有少许误差。

附录2: 

如果图6中R7不等于R8,可用下式计算延时时间: 

附录3: 

方案4不同输入电压时,延时的时间常数个数: 

从上表可以看出,延时时间对输入电压不是很敏感。


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