PCB 案例分享：大功率 LED 电路板故障排除，图文结合，通俗易懂
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这里主要是关于大功率 LED PCB 故障排除的分享。
一、 大功率 LED PCB 板
电源来自 24 VDC 电源，为了进行测试，这里使用 30A 可调电源，共有 100 LED，11种不同类型的 LED。
24 VDC 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。
二、设计背景
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。
1、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 = 12 W。
12 W 的功率远远超过大多数驱动器可以安全耗散的功率。
2、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24 VDC 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。
三、组合线性和开关电源
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
四、初步测试
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。
五、开始排除故障
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 3.5V Vpp 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。
五、解决方案
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 30 kHz，然后是 50 kHz，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更改软件！！
解决方案
六、方案解释
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。
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