梁計鋒，尤國強，任華，梁瑞

（西安翻譯學(xué)院，陜西西安，710105）

大功率LED的驅(qū)動電路設(shè)計

梁計鋒，尤國強，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,在照明應(yīng)用方面已廣泛展開。尤其是大功率LED光源更是備受喜愛，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，需要專門的驅(qū)動電路來點亮LED。本論文主要介紹一種LED恒流驅(qū)動電路，其采用恒流芯片PT4115來實現(xiàn)對大功率LED的高效恒流驅(qū)動。此電路具有效率高、成本低，可靠，安全等優(yōu)點，適合當(dāng)今大功率LED驅(qū)動電路的市場發(fā)展前景。

LED光源；驅(qū)動電路；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,在照明應(yīng)用方面已廣泛展開。尤其是大功率LED光源更是備受喜愛，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，需要專門的驅(qū)動電路來點亮LED。目前的LED驅(qū)動電源主要采用電阻限流法、線性控制法、開關(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)簡單，成本低廉等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)換效率低和功耗大等缺點，開關(guān)控制法雖然效率高，但成本也較高。雖然近年來迅速出現(xiàn)了針對大功率LED燈的驅(qū)動器芯片，價格不貴，效率也較高，但固定不可調(diào)，遇到LED燈突然增減，無法及時調(diào)整，造成LED燈不能正常工作。

1 LED 驅(qū)動

1.1 LED驅(qū)動的概念

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)用過程中需要對工作狀態(tài)進行穩(wěn)定以及電路保護，從而便產(chǎn)生了驅(qū)動的概念。LED光源對電源的要求非常高，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)動器。不同功率的 LED燈，要有不同的電源驅(qū)動器。LED驅(qū)動器的好壞制約著LED 產(chǎn)品的性能，可靠性以及使用時間。近年來對于單個大功率和多個小功率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的恒流大電流問題，也對于變化了的LED燈不能隨之變化的電源驅(qū)動問題沒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，所允許的額定電流也會下降。一般情況下，當(dāng)溫度由25℃升高至 85℃時，額定電流由 30m A降低至 6m A。若采用恒壓驅(qū)動方式，LED正常導(dǎo)通后，由于溫度變化而引起的電流變化可能會超過額定電流值。所以對于LED驅(qū)動器基本都應(yīng)用恒流驅(qū)動電路，對于大功率LED的來說，能否應(yīng)對大電流的恒流驅(qū)動是問題的關(guān)鍵。

1.2 LED的驅(qū)動的分類

LED驅(qū)動簡單的來講就是給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)動電路還能隨時保護LED，避免LED被損壞。 LED驅(qū)動通常分為以下三種方式。

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

LED的工作電流為：

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

②恒壓驅(qū)動：就是保持LED兩端的電壓不變，因為各種顏色的LED的電壓都有所不同,所以很少用恒壓的方式來驅(qū)動LED。

③恒流驅(qū)動：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)動的器件，由于LED的光強由流過LED的電流大小決定，由于LED兩端電壓微小的變化就會引起電流較大的變化，不穩(wěn)定電流過強會引起LED發(fā)光的閃爍不定，不僅影響光強和壽命，還對人眼有較大的傷害。因此LED的驅(qū)動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IC。

2 恒流驅(qū)動方式電路

為了保證LED驅(qū)動電路既保證有恒流特性以外，還應(yīng)保持較低的功耗。因為大功率LED光源需要較大的驅(qū)動電流，考慮到以上問題。特設(shè)計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?，F(xiàn)在最好的既便宜又好用的適配器就是可供手機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個串聯(lián)LED光源電路的電流也是350mA，為了延長LED壽命和降低光強，我們初步設(shè)計電流為300mA--330mA，這樣就不會明顯的影響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)動芯片

由于本設(shè)計采用PT4115恒流驅(qū)動芯片，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)動多達7個串聯(lián)的LED,提供從1W～28W以上的輸出功率,效率高達97%。由于外部電流檢測電阻的壓降僅為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,達到省電的效果。同時PT4115輸出LED的電流精度達±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)時間使得在100Hz PWM調(diào)光時的調(diào)光比高達5000:1(0.02%-100%)。擊穿電壓大于45V，輸出200～1200mA恒定直流，其采用頻率抖動技術(shù)有效地改善EMI；芯片的管芯可通過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)置了過溫保護功能，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即會進入過溫保護狀態(tài)并停止電流輸出,而當(dāng)溫度低于140℃時,IC即會重新恢復(fù)至工作狀態(tài)。PT4115的工作效率高達97%,是真正的綠色驅(qū)動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)計電路原理

圖2 LED適配器電路圖

前級電壓適配器先將220V交流轉(zhuǎn)換為12V直流，作為驅(qū)動芯片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)動芯片的設(shè)計頻率為1MHz 以下，根據(jù)實驗，本方案的電感設(shè)計在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)時為儲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的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)和過溫保護

PT4115不但可以動態(tài)溫度調(diào)節(jié)，還有過溫保護功能。動態(tài)溫度調(diào)節(jié)可以通過電感來實現(xiàn)，電路如圖3所示。

由于DIM端的內(nèi)部是一個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，以實現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定。

過溫保護的實現(xiàn)從如上右圖四中可見，相對于圖3多了一個三極管電路，此三極管實現(xiàn)開關(guān)作用。當(dāng)溫度過高時，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)其電壓升高到超過三極管的開通電壓時，三極管則導(dǎo)通，DIM端則接地，則無輸出電流，當(dāng)溫度降低時，PT4115重新啟動，從而實現(xiàn)了PT41 15的過溫保護。

圖3 過溫保護電路

圖4 LED動態(tài)溫度調(diào)節(jié)圖

5 設(shè)計總結(jié)

本文主要設(shè)計了一款以PT4115芯片為核心的大功率LED驅(qū)動器電路，LED先選擇5個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，剩下3個LED燈，仍然可以正常發(fā)光。但在設(shè)計中還需要注意以下問題。

（1）由于驅(qū)動芯片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)部雖然自帶有過溫保護功能，外設(shè)過溫保護可設(shè)可不設(shè)，但如果設(shè)有，則可以實現(xiàn)對LED的雙重保護。

（3）PT4115雖然可利用PWM調(diào)光，但PWM 調(diào)光有可能會產(chǎn)生噪聲，所以在本設(shè)計中沒有添加專門的PWM調(diào)光電路，而是模擬PWM調(diào)光。

（4）驅(qū)動多個小功率LED燈比單只大功率的LED燈的效率高。所以，本設(shè)計對于疊加的大功率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)動的PT4115控制系統(tǒng)[D].貴州師范大學(xué)學(xué)報(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)動電源設(shè)計[J].電子制作,2013.

[3]蔣天堂. LED的特性及驅(qū)動電源的發(fā)展趨勢[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

梁計鋒，男，1979年3月出生，漢族，陜西省咸陽市乾縣人，碩士學(xué)位，講師，主要研究方向為電子技術(shù)。

西安翻譯學(xué)院校級科研項目編號：16B03。