大功率LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

梁計(jì)鋒，尤國(guó)強(qiáng)，任華，梁瑞

（西安翻譯學(xué)院，陜西西安，710105）

大功率LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

梁計(jì)鋒，尤國(guó)強(qiáng)，任華，梁瑞

（西安翻譯學(xué)院，陜西西安，710105）

LED(Light Emitting Diode)作為新一代綠色光源,具有節(jié)能、環(huán)保和光轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),在照明應(yīng)用方面已廣泛展開(kāi)。尤其是大功率LED光源更是備受喜愛(ài)，由于LED光源不能直接用市電220v電壓直接供電，需特殊電壓供電，因此，需要專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)點(diǎn)亮LED。本論文主要介紹一種LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，其采用恒流芯片PT4115來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率LED的高效恒流驅(qū)動(dòng)。此電路具有效率高、成本低，可靠，安全等優(yōu)點(diǎn)，適合當(dāng)今大功率LED驅(qū)動(dòng)電路的市場(chǎng)發(fā)展前景。

LED光源；驅(qū)動(dòng)電路；恒流；PT4115

0 引言

LED(Light Emitting Diode)作為新一代綠色光源,具有節(jié)能、環(huán)保和光轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),在照明應(yīng)用方面已廣泛展開(kāi)。尤其是大功率LED光源更是備受喜愛(ài)，由于LED光源不能直接用市電220v電壓直接供電，需特殊電壓供電，因此，需要專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)點(diǎn)亮LED。目前的LED驅(qū)動(dòng)電源主要采用電阻限流法、線性控制法、開(kāi)關(guān)控制法等。電阻限流法與線性控制法雖然都具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換效率低和功耗大等缺點(diǎn)，開(kāi)關(guān)控制法雖然效率高，但成本也較高。雖然近年來(lái)迅速出現(xiàn)了針對(duì)大功率LED燈的驅(qū)動(dòng)器芯片，價(jià)格不貴，效率也較高，但固定不可調(diào)，遇到LED燈突然增減，無(wú)法及時(shí)調(diào)整，造成LED燈不能正常工作。

1 LED 驅(qū)動(dòng)

1.1 LED驅(qū)動(dòng)的概念

LED燈具有節(jié)能、環(huán)保、電/光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。但LED光源特性較為敏感，又有負(fù)的溫度特性的半導(dǎo)體。因而在應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定以及電路保護(hù)，從而便產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)的概念。LED光源對(duì)電源的要求非常高，它不可以直接接入 220V的交流，只需要2-3V 的直流低電壓驅(qū)動(dòng)即可。所以在統(tǒng)一市電的接入中，需要電壓變換電路才能正常工作，我們將這樣的電源轉(zhuǎn)換電路稱為適配器或驅(qū)動(dòng)器。不同功率的 LED燈，要有不同的電源驅(qū)動(dòng)器。LED驅(qū)動(dòng)器的好壞制約著LED 產(chǎn)品的性能，可靠性以及使用時(shí)間。近年來(lái)對(duì)于單個(gè)大功率和多個(gè)小功率LED燈的需求量大幅度增加，而傳統(tǒng)的LED電源不能很好的解決大功率帶來(lái)的恒流大電流問(wèn)題，也對(duì)于變化了的LED燈不能隨之變化的電源驅(qū)動(dòng)問(wèn)題沒(méi)有給出很好的解決方法。為了讓其安全可靠的工作，LED的驅(qū)動(dòng)電流必須低于 LED 額定的電流值。LED在工作中，當(dāng)溫度升高時(shí)，所允許的額定電流也會(huì)下降。一般情況下，當(dāng)溫度由25℃升高至 85℃時(shí)，額定電流由 30m A降低至 6m A。若采用恒壓驅(qū)動(dòng)方式，LED正常導(dǎo)通后，由于溫度變化而引起的電流變化可能會(huì)超過(guò)額定電流值。所以對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器基本都應(yīng)用恒流驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)于大功率LED的來(lái)說(shuō)，能否應(yīng)對(duì)大電流的恒流驅(qū)動(dòng)是問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.2 LED的驅(qū)動(dòng)的分類

LED驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的來(lái)講就是給LED提供正常工作條件(包括電壓,電流等條件)的一種電路,也是LED能工作必不可少的條件,好的驅(qū)動(dòng)電路還能隨時(shí)保護(hù)LED，避免LED被損壞。 LED驅(qū)動(dòng)通常分為以下三種方式。

①鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)：就是簡(jiǎn)單的的在LED的回路中串接電阻,通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的阻值,可以改變LED的驅(qū)動(dòng)電流。

LED的工作電流為：

因?yàn)樵贚ED正常工作時(shí)，UL電壓固定不變，在電源電壓不變時(shí)，導(dǎo)通I與鎮(zhèn)流電阻R成反比；當(dāng)電源電壓U變化時(shí)，鎮(zhèn)流電阻R抑制驅(qū)動(dòng)電流I的過(guò)量變化，使I不超出LED的允許范圍。從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)的目的。此電路雖有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)；但電流穩(wěn)定度不高；電阻發(fā)熱功率大，效率低等缺點(diǎn)，使其僅適用于小功率LED范圍。

②恒壓驅(qū)動(dòng)：就是保持LED兩端的電壓不變，因?yàn)楦鞣N顏色的LED的電壓都有所不同,所以很少用恒壓的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。

③恒流驅(qū)動(dòng)：就是保持LED的電流一直不變,讓LED在恒定電流的條件下工作。

由于大功率LED光源需要低電壓、大電流才能驅(qū)動(dòng)的器件，由于LED的光強(qiáng)由流過(guò)LED的電流大小決定，由于LED兩端電壓微小的變化就會(huì)引起電流較大的變化，不穩(wěn)定電流過(guò)強(qiáng)會(huì)引起LED發(fā)光的閃爍不定，不僅影響光強(qiáng)和壽命，還對(duì)人眼有較大的傷害。因此LED的驅(qū)動(dòng)器需要提供恒流電流，以保證大功率LED使用的安全性，所以一般都選擇恒流驅(qū)動(dòng)IC。

2 恒流驅(qū)動(dòng)方式電路

為了保證LED驅(qū)動(dòng)電路既保證有恒流特性以外，還應(yīng)保持較低的功耗。因?yàn)榇蠊β蔐ED光源需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，考慮到以上問(wèn)題。特設(shè)計(jì)LED適配器框圖1如下所示：

圖1 LED適配器整體框圖

2.1 適配器的選擇

適配器的主要目的是將市電的交流220V變換成低壓的直流。現(xiàn)在最好的既便宜又好用的適配器就是可供手機(jī)充電的便攜式交直流降壓變換器--適配器（Adapter），其輸出電壓基本為DC12V，其輸出電流的多少要根據(jù)LED的光源的功率來(lái)選擇，一般要預(yù)留30%的量，1W的白光LED的標(biāo)準(zhǔn)工作電流應(yīng)為350mA，而5個(gè)串聯(lián)LED光源電路的電流也是350mA，為了延長(zhǎng)LED壽命和降低光強(qiáng)，我們初步設(shè)計(jì)電流為300mA--330mA，這樣就不會(huì)明顯的影響LED發(fā)光的亮度，所以適配器的輸出電流應(yīng)選750mA～1A 的。

2.2 驅(qū)動(dòng)芯片

由于本設(shè)計(jì)采用PT4115恒流驅(qū)動(dòng)芯片，其是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，輸入電壓范圍8-30V,輸出LED電流1.2A可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)7個(gè)串聯(lián)的LED,提供從1W～28W以上的輸出功率,效率高達(dá)97%。由于外部電流檢測(cè)電阻的壓降僅為100mV,以及內(nèi)部0.4Ω的導(dǎo)通電阻,降低了芯片和系統(tǒng)的功耗,大幅提升了LED照明系統(tǒng)的效率,達(dá)到省電的效果。同時(shí)PT4115輸出LED的電流精度達(dá)±5%。為了方便用戶有效的調(diào)光,PT4115可以接受PWM和模擬調(diào)光,特別需要指出的,PT4115極為快速的電流響應(yīng)時(shí)間使得在100Hz PWM調(diào)光時(shí)的調(diào)光比高達(dá)5000:1(0.02%-100%)。擊穿電壓大于45V，輸出200～1200mA恒定直流，其采用頻率抖動(dòng)技術(shù)有效地改善EMI；芯片的管芯可通過(guò)直接連通到封裝外的金屬板散熱；導(dǎo)熱效果好；PT4115內(nèi)部設(shè)置了過(guò)溫保護(hù)功能，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。當(dāng)IC芯片溫度超出160℃,IC即會(huì)進(jìn)入過(guò)溫保護(hù)狀態(tài)并停止電流輸出,而當(dāng)溫度低于140℃時(shí),IC即會(huì)重新恢復(fù)至工作狀態(tài)。PT4115的工作效率高達(dá)97%,是真正的綠色驅(qū)動(dòng)IC，PT4115被廣泛應(yīng)用于使用LED燈的MR11、MR16、水燈、路燈等各類LED燈具。

2.3 大功率LED

可以選擇1W白光LED

3 設(shè)計(jì)電路原理

圖2 LED適配器電路圖

前級(jí)電壓適配器先將220V交流轉(zhuǎn)換為12V直流，作為驅(qū)動(dòng)芯片PT4115的輸入電流，保證電路正常工作，橋式整流電路二極管常用1N4007。

R1是調(diào)流電阻，控制PT4115輸出電流的大小，即確定恒流源的精度。負(fù)載電流與R1的關(guān)系為：

由于負(fù)載是5個(gè)串聯(lián)的1W LED，額定電流為350mA，則采樣電阻R1的大小為：

所以R1可以選擇阻值約為0.2857歐姆的金屬膜電阻。

L為整流電感，主要是把100KHz的高頻脈沖電流變換成三角波電流，L的電感量的大小會(huì)影響恒流源電流的穩(wěn)定性和本電路的工作頻率。由于PT4115驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)頻率為1MHz 以下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，本方案的電感設(shè)計(jì)在68uH，系統(tǒng)的工作頻率可以控制到1MHz 以下，且品質(zhì)因數(shù)Q值大于50，飽和電流大于800mA 的磁路閉合電感器。

D5為續(xù)流二極管，在PT4115內(nèi)部的MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)為儲(chǔ)存在電感中的電流提供放電回路。由于工作在高頻脈沖狀態(tài)，D5應(yīng)選用正向壓降小，恢復(fù)速度快的肖特基二極管。芯片PT4115的DIM端懸空。

4 PT4115的動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)和過(guò)溫保護(hù)

PT4115不但可以動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)，還有過(guò)溫保護(hù)功能。動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)可以通過(guò)電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路如圖3所示。

由于DIM端的內(nèi)部是一個(gè)1M的上拉電阻另一端接5V電源上。所以在DIM端另接熱敏電阻NTC，5V電壓由內(nèi)部電阻和熱敏電阻NTC分壓決定。溫度的變化使得熱敏電阻阻值發(fā)生變化，從而使DIM端電壓改變，將在上拉電阻上的電壓保持不變，以實(shí)現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定。

過(guò)溫保護(hù)的實(shí)現(xiàn)從如上右圖四中可見(jiàn)，相對(duì)于圖3多了一個(gè)三極管電路，此三極管實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)作用。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，熱敏電阻的阻值減小，其上的分壓值也減小，則其下面電阻上的分壓值則升高，當(dāng)其電壓升高到超過(guò)三極管的開(kāi)通電壓時(shí)，三極管則導(dǎo)通，DIM端則接地，則無(wú)輸出電流，當(dāng)溫度降低時(shí)，PT4115重新啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了PT41 15的過(guò)溫保護(hù)。

圖3 過(guò)溫保護(hù)電路

圖4 LED動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)圖

5 設(shè)計(jì)總結(jié)

本文主要設(shè)計(jì)了一款以PT4115芯片為核心的大功率LED驅(qū)動(dòng)器電路，LED先選擇5個(gè)1W的串聯(lián)白色光源，從仿真效果看，其工作正常。然后去掉了2個(gè)，剩下3個(gè)LED燈，仍然可以正常發(fā)光。但在設(shè)計(jì)中還需要注意以下問(wèn)題。

（1）由于驅(qū)動(dòng)芯片PT4115是耐壓40V的CMOS工藝，為了讓其安全可靠的工作，其輸入電壓要有一定的冗余以便于散熱。

（2）PT4115內(nèi)部雖然自帶有過(guò)溫保護(hù)功能，外設(shè)過(guò)溫保護(hù)可設(shè)可不設(shè)，但如果設(shè)有，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的雙重保護(hù)。

（3）PT4115雖然可利用PWM調(diào)光，但PWM 調(diào)光有可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，所以在本設(shè)計(jì)中沒(méi)有添加專門(mén)的PWM調(diào)光電路，而是模擬PWM調(diào)光。

（4）驅(qū)動(dòng)多個(gè)小功率LED燈比單只大功率的LED燈的效率高。所以，本設(shè)計(jì)對(duì)于疊加的大功率LED更適合。

（5）為了降低管耗，續(xù)流二極管一定要選用低壓降的肖特基二極管。

（6）PT4115利用頻抖技術(shù)較好地改善了EMI。

[1]張小紅,歐浩.源面向大功率LED電源驅(qū)動(dòng)的PT4115控制系統(tǒng)[D].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014.

[2]何湘艷,廖勇.光學(xué)儀器照明用的大功率LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].電子制作,2013.

[3]蔣天堂. LED的特性及驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展趨勢(shì)[J].電子技術(shù)，2010.

[4]宋曉娟.電流平方控制的大功率LED驅(qū)動(dòng)電路[J].電源技術(shù),2010.

Design of driving circuit for high power LED

Liang Jifeng,You Guoqiang,Ren Hua,Liang Rui
(Xi’an Fanyi University, Xi’an Shaanxi, 710105)

LED(Light Emitting Diode) as a new generation of green light source, with energy saving,environmental protection and high efficiency of light conversion characteristics, has been widely used in lighting applications. In particular, high-power LED light source is much loved, because the LED light source can not be directly used for direct supply of electricity 220V voltage, the need for special voltage supply, therefore, the need for a dedicated driver circuit to light up LED. This paper introduces a LED constant current drive circuit, the constant current chip PT4115 to realize constant current drive of high power LED. This circuit has many advantages, such as high efficiency, low cost, reliability, security, and so on. It is suitable for the market development of high power LED drive circuit.

LED light source； drive circuit； constant current；PT4115

梁計(jì)鋒，男，1979年3月出生，漢族，陜西省咸陽(yáng)市乾縣人，碩士學(xué)位，講師，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)。

西安翻譯學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目編號(hào)：16B03。