PCB 案例分享：大功率 LED 电路板故障排除，图文结合，通俗易懂

这里主要是关于大功率LEDPCB故障排除的分享。

电源来自24VDC电源，为了进行测试，这里使用30A可调电源，共有100LED，11种不同类型的LED。

24VDC的主输入电源

电源通过保险丝，电容器对其进行滤波，TVS二极管防止瞬变。

这个设计中最具挑战性的部分确定怎么更好地驱动LED。我们需要完全控制亮度，并尽量减少产生的热量。

第一个选项：是使用恒流LED专用驱动器，包括线性驱动器和带有内部开关稳定器的驱动器。首先排除的就是线性驱动器。

LED灯串的驱动电流约为1A，有些灯串只有4个LED。例如，对于3V的正向电压，需要驱动器耗散（24V–3V*4)*1A=12W。

12W的功率远远超过大多数驱动器可以安全耗散的功率。

第二个选项：每条链使用一个单独的开关驱动器，这种方法的优点是每条链都可以非常高效地运行，因为大多数现代开关稳压器的效率都超过80%。

这样做的优点是，由于我们使用24VDC电源，无法将所有11个LED模型集中在11条线上。因此需要18根不同的线。由于PCB非常大，让让18个开关稳压器切换高功率负载，不是很好。

最后决定使用一种混合方法，设计多条绞线，因此在24V电源上有几V的净空。

例如，一种LED的正向电压为2.8V。在单股上使用其中的8个，我们只需要降低24V–(8*2.8V)=1.6V。当以1A驱动时，耗散功率仅为1.6W，使用一个或两个高功率电阻。

总的来说，我们可以用这种方式驱动九串LED，几乎是所需串数的一半，下图显示了两条链的示例。

由24VDC导轨直接驱动的长股线

低侧N沟道MOSFET驱动每个LED串，而专用MOSFET驱动器打开/关闭MOSFE。

然后，使用开关稳压器将24V电源轨分成3个额外的电源轨。这里选择7V、13V和16V，有了这些特定的电压，可以与较长股线相同的方式驱动其余的较短股线，并分别使用一个或两个电阻来耗散多余的功率，这样的方法是好的，因为我们可以直接对所有股线进行PWM，它们会做出相同的响应，同时还受益于切换拓扑的高效率。

开关稳压器（RT8279）将电压轨降至特定电压，从而允许从新轨线性驱动LED

如上图所示，开关稳压器使用CLC输入滤波器，该滤波器确保高频开关噪声不会离开稳压器并与PCB上的其他东西耦合，这些电源轨上还有大量的输出电容。

如下图所示，这条新导轨为其他具有较短股线的LED供电。

新的13V导轨驱动较短链上的LED，新的电压轨降低了电阻上的功率损耗

首先以全功率单独测试每根线，接下来使用PWM信号对其进行测试-最初使用100Hz。从所有股线的占空比约为10%开始，然后缓慢增加。

一旦达到20%，我们的电源就开始出现各种错误和问题，基本上进入过压锁定状态，然后完全关闭。

然后我们尝试使用100%的占空比，并从那里开始降低它。一直运行良好，直到80%时出现同样的问题。

示波器

对电路进行故障排除时，示波器在与驱动PWM信号相同的频率上显示出较大的压降。

主24V输入轨出现问题，因此，我们从那里开始进行电路故障排除，我们首先将示波器连接到PCB的输入端子，可以看到声音频率为100Hz的3.5VVpp信号，与我们驱动的频率相同。

每当PWM脉冲变高时，主电压轨就会下降几V，电压波形恰好解释了不满意的原因。

下一步看看，我们是否可以进一步隔离，该设计的大部分复杂性在于开关稳压器，分析认为导致掉落的股线是穿过它们的股线。因此，我们关闭了所有24V线，仅对于开关稳压器进行PWM控制，这样就可以消除铁路上的问题，但是仍然存在小电压暂压，但还不足以导致电源出现故障，

很明显问题出在原生24V线束上，但是仍然对他进行了独立测试，果然，示波器显示出同样严重的电压骤降。

由于我们使用MOS管驱动LED，因此PWM信号变高的瞬间，每条线上都会出现1A的电流浪涌，对于任何电源轨来说，这都是快速提供的大量电流。我们使用的MOS管驱动器在其输出和MOS栅极之间有一个100R电阻。

更改该值将将减慢或者加快MOS的导通速度，这次改变了电流浪涌的速度，因此我们将值从从100R更改为1K，然后是500K，甚至1M。

虽然改变栅极电阻确实解决了电压暂降问题，但它的导通速度非常慢，以至于MOSFET始终处于线性区域。

它本质上充当恒流放大器，而不是简单的开/关开关。当像这样驱动MOSFET时，功率损耗将太大而无法消散。

将PWM频率更改为20kHz，压降降低了一半以上。电压降是在相同的20kHz驱动频率下。

然后我们尝试了30kHz，然后是50kHz，示波器上的电压降不再明显。

电源在驱动负载时不再出现任何问题。在所有工作周期且所有LED灯串都运行的情况下，此问题已100%得到解决。

最好的解决方案最终是简单的软件更改！

现在讨论为什么改变PWM频率就解决了问题。

1、100Hz频率

输入电完全充电。

第一个PWM信号同时打开所有LED。

电流浪涌完全耗尽电容器的电流。这迫使电路板尝试直接从电源获取电流。

由于电源引线上存在电感和电阻，PSU无法提供主板所需的电流。

电路板上的电压下降，直到供应能够“赶上”能源需求。

PWM周期关闭；所有电容都可以充满电。

重复

2、50kHz频率

输入电容完全充电。

第一个PWM信号同时打开所有LED。

电流浪涌开始耗尽电容器。

在电容完全耗尽之前，PWM周期会关闭，从而使电容能够重新充电。

重复

如前所述，PSU引线中的接线会导致PSU和电路板之间产生电阻和电感。在较高频率下，我相信电感产生的磁场可以在提供10+安培电流的同时保持不变。

当PWM以足够高的频率进行时，PSU会产生恒定的10安培电流。而当频率为100Hz时，它会看到无法跟上的开关。