基于HV9910的LED驅動電路設計

呂詩如，屈子琦，胡正國

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于HV9910的LED驅動電路設計

呂詩如，屈子琦，胡正國

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

通過對LED發光原理分析，了解驅動電路的基本要求，以HV9910作為控制芯片，設計一種高效節能的LED驅動電路。設計基于該芯片的電路方案，通過理論計算，確定各元器件選型，最后對驅動電路進行通電測試。測試結果表明：在電壓波動及負載變化的情況下，驅動電路的負載端電流基本保持穩定；驅動電路能夠為LED工作提供一個穩定電流，電路結構簡單，設計合理，可靠性高，基本滿足要求。

HV9910；LED照明；驅動電路

0 引言

近年來，照明用電在全國用電總量中的占比不斷增大，推廣使用高效照明產品意義重大。隨著半導體技術的發展，LED作為第四代光源，因其具有工作電壓低、耗電量小、發光效率高、壽命長等特點[1]，逐漸成為節能照明領域的主流。最初因其成本相對傳統照明燈具較高，且單個功率較小，應用范圍較小。伴隨行業技術的進步，LED照明燈具的缺點逐漸被改善，發光效率及單個功率逐步提高。

在LED照明燈具中，發光二極管是發光器件，而驅動電路是保證發光二極管能夠正常發光的關鍵。為了使LED能高效節能地工作，對其驅動電路的設計就顯得尤為重要。目前LED驅動器按其供電形式分為DC/DC和AC/DC兩種。DC/DC驅動器一般用于直流穩壓電源供電場所，而AC/DC驅動器一般用于市電直接供電場所。DC/DC驅動器一般采用電容式電荷泵電路和電感式DC/DC電路的方法實現，AC/DC驅動器主要采用工頻變壓、電容降壓及Buck電路降壓設計[2-3]。本文所設計的驅動器用于家庭及裝飾照明，其電源是由市電供給。

在滿足各項要求的條件下，本文設計了一種基于HV9910的Buck電路為LED提供恒定電流驅動。該電路利用HV9910芯片輸出的PWM波對MOS管門極進行控制，通過調節PWM波形占空比，從而間接控制輸出電流值。該電路能夠對輸出電流實現較精準的控制即實現LED的恒流驅動，還能添加簡單的外圍電路。

1 LED發光原理及驅動要求

LED即發光二極管，是一種由PN結發生正向偏置而發光的半導體器件，屬于電流型器件[4]。其工作電壓一般較低，工作狀態受電流影響較大。若要保證LED正常工作，則需在LED上通入恒定電流，即LED工作在額定電流條件下。圖1為發光二極管VI特性圖。當電壓小于2.3 V時，電流近似為零，LED不發光；當電壓大于2.3 V時，正向電流急劇增大，使LED發光。

圖1 發光二極管V-I特性圖Fig. 1 V-Icharacteristic figure for light-emitting diodes

通常LED的單個功率較小，因此，采用多個LED串并聯的形式組成LED模塊。若采用恒壓驅動，由于制作工藝問題不能保證每個發光二極管的參數均相同，勢必會造成各個LED通過的電流不同，導致發光亮度不同[5]。

LED的極限功耗為LED兩端電壓與通入電流之積的最大值，一般要求LED的功耗小于LED的極限功耗。若LED的功耗大于LED的極限功耗，則會造成LED燒壞。在LED正常發光情況下，當電壓出現波動時，會導致電流激變，容易出現功耗大于極限功耗[6]。為此要求LED驅動電路能夠提供一個穩定的工作電流。

根據LED工作特性，設計的驅動電路需滿足下列要求。

1）盡可能保證輸出電流恒定，且能夠承受外部電壓波動沖擊，以提高電路可靠性。

2）盡可能減少電路功耗，以提高電源轉換效率。

3）在不損失電路性能的情況下，簡化電路結構，以降低其體積及成本。

2 驅動電路設計

2.1 控制芯片介紹

HV9910是一種高效LED驅動控制芯片[7]，其輸入端電壓可在DC 8～450 V之間變化，內部采用開環控制方式，可以對輸出電流實現較精準的控制，添加較簡單的外圍電路，即可實現對所需LED進行驅動。由于芯片帶有調光引腳，所以能夠根據實際情況對所需輸出電流進行調節。圖2是芯片內部結構圖。當輸入電壓VIN大于8 V時，電壓調節器提供恒定的7.5 V電壓供芯片工作。2個電壓比較器：一個是將采樣端CS反饋電壓值與基準電壓值進行比較；另一個是將采樣端CS反饋電壓值與LD線性調光引腳輸入的電壓值進行比較。2個電壓比較器的輸出信號通過RS鎖存器對GATE端輸出電平進行控制，從而驅動外接MOS管達到控制輸出電流的目的。ROSC端通過外接一個振蕩電阻來設定開關頻率，PWM引腳用于外接一個PWM信號進行調光。

圖2 芯片內部結構圖Fig. 2 An internal structure diagram of chips

2.2 LED驅動工作原理

LED驅動電路如圖3所示。外部電網電壓經整流橋堆、濾波電路之后，轉換成直流電傳送到芯片電壓輸入端，為芯片提供電壓。

HV9910通過一個線性調光器LD來改變電流采樣比較器的電流限制閾值[8]。當芯片正常工作即VIN大于8 V時，VDD引腳等于芯片內部的7.5 V電壓。此時GATE端輸出高電平，使外部MOS管導通，形成回路，外部輸入電壓對電感進行儲能，同時為負載供電。

在LED的驅動電路設計中，MOS管的開斷和采樣電路的設計也是至關重要的。當MOS管導通時，外部電源向LED供電；當MOS管關斷時，儲能電感向LED供電。在采樣電路中，HV9910芯片通過采樣端CS接到MOS管的源極電阻，有效地保證了采樣端CS對MOS管的信號輸送，并通過采樣電阻Rcs將負載電流信號變成電壓信號，反饋至主控制芯片[9-10]，基準電壓250 mV與參考電壓在電壓比較器中進行比較。若參考電壓大于250 mV，輸出高電平，經邏輯電路，GATE端也輸出高電平，此時VGS>0且大于開啟電壓VGS(th)，MOS管繼續導通；若參考電壓小于250 mV，GATE端輸出低電平，電路斷開，負載依靠電感供電，回路中電流逐漸降低，當降到一定值時，采樣電阻流過的電流形成電壓降，通過采樣端CS反饋到電壓比較器，最終使芯片的GATE端繼續輸出高電平，使MOS管導通。

同時，VDD端電壓恒定為7.5 V，在其與地之間串接電阻，將LD端連接至電阻串上。通過改變LD端反饋到芯片的電壓值可以改變另一個電壓比較器的參考電壓，再與采樣端CS電壓值進行比較，從而對輸出電流進行調節。

通過HV9910芯片來控制各個引腳的開通與關斷，從而達到輸出電流恒定的效果。而控制芯片的工作原理及實質就是在芯片的GATE端輸出一系列的PWM波形，利用輸出的PWM波對MOS管門極進行控制，通過調節PWM波形占空比可以間接調節輸出電流值。

圖3 電路原理圖Fig. 3 Circuit schematic diagram

2.3 電路元器件選取計算

本文選用10個1 W的LED串聯組成負載，接在LED驅動電路的負載端。由于該負載的功率未超過25 W，暫不考慮功率因數校正。首先設置頻率振蕩器的頻率即MOS管開關信號頻率[11]，振蕩頻率根據需要可通過改變振蕩電阻阻值設置，在此選用其參數的典型值fosc=125 kHz，Rosc=1 M。為方便元器件計算選型，給出驅動電路的輸入輸出參數如下：輸入端交流電壓在165～265 V之間變化；電源頻率為工頻50 Hz，負載輸出直流電壓范圍在4～20 V之間；由于1 W的大功率LED順向電流為350 mA[12]，故設定驅動電路的輸出電流為350 mA。

2.3.1 整流橋和濾波電容選取

二極管電壓等級取決于輸入電壓最大值，而電流等級取決于整流器中最大平均電流的升降。

式（1）～（3）中：Vbridge為整流橋的電壓值；

VMAX,ac為輸入交流電壓最大值；

Ibridge為整流橋的電流值；

VMAX,O為輸出電壓最大值；

IMAX,O為輸出電流最大值；

VMIN,dc為整流電壓最小值；

RCOLD為熱敏電阻阻值。

根據以上計算結果，選取KBP307作為整流橋，將交流電變換成直流為芯片供電。

在整流橋堆的輸出端并聯電容器來進行濾波，且輸出端電容器應該承受超出10%～12%安全波動范圍下的輸入尖峰電流[13-14]。電容的計算公式為：

式（4）～（7）中：VMAX,cap為電容器的電壓值；

C1為整流電路的濾波電容值，單位為μF；freq為50 Hz的頻率；

C2為整流電路的電解電容值，單位為μF；fs為采樣頻率。

通過計算，整流部分的濾波電容C1選取3 μF/ 375 V的電解電容；濾波電容C2選取17.5μ F/375 V的電解電容。

2.3.2 MOSFET和續流二極管選取

在MOS管降壓電路中，加在其兩端的峰值電壓，即為整流橋輸出端電壓最大值。考慮到安全裕度，場效應管的額定電壓VFET與額定電流IFET計算如下：

在實際中，場效應管中通過的電流一般為額定電流的3倍。綜合上述計算結果，本文選用最大耐壓500 V、最大電流5 A的IRF840作為驅動電路的開關管。

續流二極管在MOS管導通時截止，其兩端承受的峰值電壓應等于場效應管峰值電壓。故選取最大反向耐壓值500 V、平均電流1 A的快恢復二極管BYV26C進行續流。

式（10）～（11）中：Vdiode為續流二極管電壓；

Idiode為續流二極管電流。

2.3.3 電感L1計算

輸出負載端串聯一個電感，在開關管導通時為其充電儲能，關斷時為負載供應能量，因此電感取決于LED的脈動電流[15-16]。電感L1以及電感的尖峰電流Ip為：

式（12）～（13）中Vac,nom為正常輸入電壓值。

2.3.4 采樣電阻計算

為保證輸出電流恒定，需將通過負載的電流反饋至控制端。在采樣電路中，將采樣端的電流信號通過電阻轉換成電壓信號，再經電壓比較器進行比較，最后通過RS鎖存器對門極開關實現導通和關斷。因此，采樣端電阻尤為重要，即

在控制電路中，需要通過LD引腳對輸出電流進行調節，因此在線性電源VDD和線性調光器LD之間設置分壓電路。分壓值為

式（15）～（16）中VDD為線性電源的電壓。

為了更好地抑制諧波的產生，在負載端設置1個10μ F/50 V的電解電容濾除低頻；在線性電源VDD端并接1個電解電容和1個無極性電容，分別用于濾除高頻信號和低頻信號，一般選取值為0.1～0.2 μ F。

根據以上選取的元器件進行繪圖制板，實物圖如圖4所示。

圖4 實物正面圖圖Fig. 4 Physical map of the obverse side of the circuit

3 實驗結果與分析

驅動電路的電源端接1個可調交流電源，輸入電壓在165～265 V之間，負載端接功率電阻，利用相關儀器進行實驗數據測量。第一組實驗是改變輸入電壓，測試輸出電流是否穩定；第二組實驗是固定輸入電壓并調節負載端電壓，測試輸出電流是否穩定；第三組實驗是實測電感波形。

1）通入相應的輸出交流電壓以及調試采樣端電阻來控制輸出直流電流穩定在350 mA。將輸入端的交流電壓控制在165～265 V的范圍內，從165 V開始，5 V為一個步長，依次進行遞增。輸出電壓為12 V時，測得輸出電流如表1所示。根據表1數據，輸入電壓與輸出電流的變化曲線如圖5所示。

表1 輸入電壓和輸出電流比較Table 1 Comparison chart of the input voltage and output current

圖5 輸出電流變化曲線圖Fig. 5 A curve graph for the output current change

由表1和圖5可知，輸出電流在350～354 mA內波動，最后趨于穩定。

2）輸入電壓為220 V，調整負載輸出端電壓從4～20 V變化，負載輸出端電壓從4 V開始，以4 V依次進行遞增，測得電流值如表2所示。根據表2數據，負載輸出端電壓與輸出電流之間的變化曲線如圖6所示。由表2和圖6可知，輸出電流在348～352 mA波動，并趨于穩定。

表2 輸入電壓為220 V時，輸出電流測試結果表Table 2 Test results of the output current with 220 V its input voltage

圖6 輸入電壓為220 V時，輸出電流變化曲線圖Fig. 6 An output current change curve with its input voltage being 220 V

3）對LED恒流源輸出端進行測試，示波器測得電感波形為鋸齒波，如圖7所示。由圖7可知，在波形上升階段，開關管導通，電感充電儲能；在波形下降階段，開關管關斷，電感為負載提供能量，導致波形下降。由此可間接看出波形上升階段即對應PWM波形的高電平。

圖7 實測電感波形Fig. 7 Measured inductive waveform

4 結語

通過對LED發光特性分析，了解其發光條件，進一步明確了LED對驅動電路的要求。本文選用高效的LED驅動控制芯片HV9910設計驅動電路。先分析控制芯片HV9910的內部結構及工作原理，并設計了簡單的外圍電路，使芯片能為LED提供一個穩定的工作電流。對于電路元器件的選取作了詳細介紹，最后進行了實物測試。通過對測試數據的分析可知：當輸入電壓波動時，輸出電流能夠穩定輸出；當固定輸入電壓，使負載端電壓變化，即負載改變時，輸出電流也基本保持不變。

測試結果表明本文設計的驅動電路滿足要求。驅動電路結構簡單，需要的元器件較少。在不損失性能的前提下，降低了成本，提高了電路可靠性。

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（責任編輯： 鄧 彬）

A Design of LED Drive Circuit Based on HV9910

Based on an analysis of the principle of LED luminosity, and an understanding of the the basic requirements of the drive circuit, a highly-efficient and energy-saving LED driving circuit has been proposed with HV9910 as its control chip. With its design based on the circuit scheme of the chip, the components selection is to be determined through a theoretical calculation, followed by a power-on test of the drive circuit. The test results show that under the condition of voltage fluctuation and load change, the load current of the drive circuit is basically stable, guaranteeing a stable work current for the LED operation, and thus meeting the basic requirements with its simple circuit structure, professional design, and high reliability in the newly designed driving circuit.

HV9910； LED lighting； driver circuit

TN312+.8

A

1673-9833(2016)06-0023-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.06.005

2016-09-28

呂詩如（1994-），女，湖南婁底人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為電力網絡自動化技術及其應用，E-mail：512937214@qq.com