基于溫度傳感器控制的LED脈沖驅動電源的設計

胡 光，張 俊

（淮陰工學院，淮安 223003）

0 引言

當前全球能源短缺和地球環境變暖的憂慮再度升高，節能減排是全世界面臨的重要問題，在照明領域，被稱為希望之光的第四代綠色照明光源LED正吸引著世人的目光，是當前照明產業發展的趨勢。

盡管目前LED照明發展比較迅猛，但在一些技術指標上還需要大的提高，其主要表現為存在著光衰。LED光源雖然壽命比較長，但目前使用一定的時間以后，其照度會下降，產生光通量衰減（光衰）。產生LED光衰的原因主要有兩個：1）是LED產品本身品質問題，生產過程中采用品質不好的晶粒，晶粒散熱不能很好地從PIN腳導出，導致LED晶粒溫度升高，產生光衰；2）是LED的驅動電源問題，目前LED的驅動電源多數采用恒流電源，部分采用恒壓電源，這類驅動電源往往導致流過LED的電流大于它的額定電流，從而使得LED本身發熱，產生光衰。

由LED的晶粒造成的光衰，可以通過改變生產LED的工藝得到改進；LED照明的驅動電源的設計，是當前推廣LED照明過程中的現實和迫切的問題。

1 LED的溫度特性

LED產生光衰的根本原因是LED在使用過程中溫度超過其額定溫度，因此分析LED的溫度特性，對于設計驅動電源具有密切的聯系，本文以Cree公司的XLamp7090XR-E3.3V，350mA(1.2W)白光LED為例，介紹LED的溫度和伏安特性關系以及結溫和光衰關系。

1.1 LED的溫度和伏安特性曲線

LED的溫度特性首先體現在它的伏安特性曲線上，雖然在特定的溫度情況下它的伏安特性曲線類似于一般二極管，但其伏安特性曲線隨著溫度的變化是比較大的，圖1是溫度在30℃～100℃之間的伏安特性曲線。

從圖1中我們可以看到，這種LED的導通電壓隨著溫度變化改變是比較大的，通常可以達到-4mV/℃，比一般的二極管大約一倍，相應的這種LED工作電流隨溫度的變化也是較大的，基于這種特征，一旦LED的工作溫度升高，LED的導通電流就加大，電流越大，溫度又會越高，形成惡性循環，不僅會使LED產生光衰，同時還要影響整個裝置的散熱條件，影響整個裝置的使用壽命，因此必須控制LED的工作溫度。

圖1 伏安特性與溫度的關系

圖2 結溫與光通量衰減的時間曲線

1.2 LED的結溫與光衰

圖2是LED結溫與光通量衰減的時間曲線，從圖2中可以看出：結溫越高，光通量衰減越快，結溫與光通量衰減基本上呈線性關系。以光通量衰減到80%計算LED的工作期限，在結溫為105℃時，約10000小時，在結溫為65℃是，工作期限約為8萬小時，因此控制結溫，就可以延緩光通量衰減的時間，也就是延長LED使用期限。

2 LED脈沖驅動電源的設計

本文基于溫度傳感器控制的LED脈沖驅動電源設計的主要思想是：LED是以額定電流啟動和工作的，通過LED的電流為方波，隨著照明時間的增加，LED的溫度升高時，根據LED伏安曲線的溫度特性，控制通過LED上的電流脈沖的導通比，減少流過LED上的電流，達到控制LED的工作溫度，從而減少光衰，延長LED的使用壽命。

2.1 脈沖電源設計的工作原理

基于溫度傳感器控制的LED脈沖驅動電源設計的原理如圖3所示，220V交流電壓經整流濾波穩壓形成由脈沖發生器控制的驅動電路，脈沖發生器的工作頻率設計在300Hz～400Hz之間，脈沖的導通比由溫度傳感器控制，當溫度在常溫時脈沖導通比設計為90%，隨著溫度升高，導通比將逐步下降，因此流過LED的電流將逐漸地減少，從而使LED的溫度降低。

圖3 基于溫度傳感器控制的LED脈沖驅動電源的原理框圖

2.2 脈沖驅動電源的電路設計

脈沖發生電路是非常成熟的電路，應用也比較廣泛，選擇使用脈沖發生電路的原則是線路簡潔、可靠性高、壽命長；本文采用典型的555時基電路作為脈沖發生電路，555時基電路具有工作電壓寬，易于調節的特點。圖4為使用溫度傳感器調節脈沖的電源電路線路圖，其中Rt為溫度傳感器，脈沖寬度由Rt、R1、R2和C1的參數決定，Q1為功率開關三極管，R3為限流電阻。

圖4 為使用溫度傳感器調節脈沖的電源線路圖

圖5 Rt阻值與溫度的關系曲線

2.3 相關器件的選擇和參數計算

溫度傳感器Rt采用負溫度系數的半導體熱敏電阻，型號采用MF11系列，其電阻與溫度的關系曲線如圖5所示，在常溫下25℃時電阻值約為8.2K，在85℃時電阻值約為1.5K。考慮到LED在25℃時電路的導通比為90%，在85℃時導通比為75%，根據555時基電路的頻率周期計算公式，占空比D為：

25℃時：Rt＝8.2K，85℃時：Rt＝1.4K，計算：R2 =1.13K，取 R2 =1.2K；R1 =0.86K，取 R1=0.82K；工作頻率設計為400HZ，C1取值為1.2uF。占空比由90%調節到75%，通過LED管芯的電流可以下降16.7%，足以限制和保護LED的溫度當電源的不超過85℃，從而解決LED的發熱和光衰問題。

3 結束語

LED照明電源設計的不合理，不僅將大部分的電功率轉化為熱量，同時還需要設計比較大的散熱器，這樣電路不僅復雜，故障率還高，使用壽命短、生產成本也將升高，大大地限制了市場的競爭力與購買群。將目前LED恒流或恒壓驅動的電源，設計成用溫度傳感器控制的脈沖驅動電源，不僅電路簡潔，還可以從根本上解決LED照明中的散熱問題，節約成本，提高效率，延長LED照明的工作壽命，是當前推廣LED照明行之有效的途徑和手段。

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