隨著led 的迅速發(fā)展?，F(xiàn)在白光LED 光源相比的傳統(tǒng)光源具有壽命長(zhǎng),、固體照明不易損壞、高光效,、無(wú)汞環(huán)保,、抗震等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將成為第三代光源,，將帶來(lái)照明領(lǐng)域的又一次革命,。將LED 使用到照明領(lǐng)域，需要適合LED 的驅(qū)動(dòng)電源,，文中利用PWM 開(kāi)關(guān)控制方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種白光LED 的大功率驅(qū)動(dòng)電路,。
1 LED 電氣特性和驅(qū)動(dòng)要求
1. 1 LED 的電學(xué)特性
白光LED 的I - V 特性與普通二極管類似，只是開(kāi)啟電壓不同,，不同材料制備的LED 開(kāi)啟電壓一般在1. 5 ~ 3. 0 V 之間,。處于正向工作區(qū)時(shí)，工作電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系：
式中,，IS為反向飽和電流； VF為二極管兩端的外加電壓,； q 為電子電荷,； k 為波爾茲曼常數(shù),； T 為熱力學(xué)溫度。LED 可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作時(shí)的直流電流,，稱為額定工作電流,，此時(shí)LED 壓降稱為額定電壓。1 W 的白光LED,，其額定工作電流350 mA,，額定電壓3. 3 V。允許加在LED 兩端正向電壓與流經(jīng)LED 電流之積的最大值為其極限功耗,，當(dāng)實(shí)際功耗超過(guò)該值時(shí),，LED 發(fā)光特性變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使LED 產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞,。
1. 2 LED 驅(qū)動(dòng)要求
由LED 的I - V 特性可知,，當(dāng)加在LED 兩端的電壓稍有波動(dòng)，都會(huì)引起電流的劇烈變化,，此時(shí)很容易使電流過(guò)大,，輸入功率超過(guò)其極限功耗，從而對(duì)LED造成不可恢復(fù)的損壞,。當(dāng)LED 工作電流值不同時(shí),，其發(fā)光強(qiáng)度也不同，若采用恒壓驅(qū)動(dòng),，則LED 陣列應(yīng)采用并聯(lián)方式連接,，但是由于LED 個(gè)體之間的參數(shù)誤差，會(huì)導(dǎo)致各支路的電流不同,，致使陣列發(fā)光強(qiáng)度不均勻,，因此LED 的驅(qū)動(dòng)電路一般選擇恒流驅(qū)動(dòng)模式，相應(yīng)的LED 陣列亦采用串聯(lián)方式連接,，驅(qū)動(dòng)電流一般設(shè)為L(zhǎng)ED 額定電流的70% ~ 85%,，以保護(hù)LED，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的,，同時(shí)也使每個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度均勻一致,。
LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，需要考慮以下幾個(gè)基本指標(biāo)：
?。?） 提高驅(qū)動(dòng)電路的轉(zhuǎn)換效率,，減小電路中的功耗。
?。?2） 提高電路的可靠性,，能夠耐高壓，具有過(guò)流檢測(cè)功能,。
?。?3） 電路盡量精簡(jiǎn),，有較小的電路體積和較低的制造成本。
2 PWM 方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)
2. 1 PWM 原理
PWM 即脈沖寬度調(diào)制,，利用脈沖控制開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)時(shí)間,，可以控制電路輸出的平均電壓或電流從而達(dá)到控制電路的輸出功率。PWM 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓或恒流的基本工作原理是在輸入電壓,、系統(tǒng)參數(shù)及外接負(fù)載發(fā)生變化的情況下,，在固定工作頻率下控制電路通過(guò)被控信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度,，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定,。由于控制器件功耗小，工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)中的電路效率高,，所以電源效率一般可以做到80% ~90% ,。該類電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源,。PWM 開(kāi)關(guān)電路由4 部分組成,，即輸入整流濾波、PWM 控制,、開(kāi)關(guān)器件和輸出濾波,。根據(jù)PWM 方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)的LED 驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖1 所示。
圖1 PWM 方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)的LED 驅(qū)動(dòng)電路框圖
常見(jiàn)PWM 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)產(chǎn)生部分大都實(shí)現(xiàn)了集成化,，更加精簡(jiǎn)PWM 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì),，下面介紹利用芯片HV9910B 設(shè)計(jì)適用于大功率LED 的典型PWM方式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。
2. 2 電路設(shè)計(jì)
HV9910B 是一種通用LED 驅(qū)動(dòng)控制器,，它的適應(yīng)性強(qiáng),，即可使用國(guó)際通用的市電供電，也可以用蓄電池或者太陽(yáng)能供電,，而且能夠接受范圍較寬的輸入電壓,。輸出的恒流驅(qū)動(dòng)電流范圍極寬，從幾十mA 到1 A以上,。使用HV9910B 搭建的驅(qū)動(dòng)器使用器件較少,，電路簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本也會(huì)降低,。由HV9910B 設(shè)計(jì)的LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示,，輸入為AC 220 V 的市電，負(fù)載為10 只功率為1 W 的LED 串聯(lián)組成陣列,。
圖2 基于芯片HV9910B 控制的LED 驅(qū)動(dòng)電路
電路輸入級(jí)由全波整流橋和一個(gè)濾波電容組成,，完成對(duì)交流電的整流濾波?？刂萍?jí)由HV9910B 芯片搭建,，經(jīng)輸入級(jí)濾波后的電壓輸入到芯片的Vin,，作為電路的輸入電壓VI，其峰值是310 V,，均值為190 V.VDD、LD,、PWMD 端通過(guò)電容器接GND 端,，以維持相應(yīng)引腳的片內(nèi)電壓。由GATE 端輸出頻率一定的方波脈沖信號(hào)作為開(kāi)關(guān)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管,，其頻率由RT端所接的電阻設(shè)定,，脈沖寬度由CS 端采樣電阻RCS反饋的LED 電流信號(hào)控制。電感L1在電路中起著至關(guān)重要的作用,，為驅(qū)動(dòng)電路提供濾波和儲(chǔ)能以及續(xù)流供電,，以保持負(fù)載中電流的均衡性，恢復(fù)二極管完成構(gòu)建續(xù)流通路的作用,。在開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)通半周內(nèi),，由前級(jí)濾波后的電勢(shì)向LED 負(fù)載直接供電，并給L1充電,； 在開(kāi)關(guān)信號(hào)關(guān)斷半周內(nèi),，由充滿能量的L1給快恢復(fù)二極管、LED 組成的回路供能,，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi)完成對(duì)LED 的持續(xù)驅(qū)動(dòng),。
2. 2. 1 電路參數(shù)計(jì)算和器件選擇
參考芯片的使用手冊(cè)和具體電路要求可以確定芯片的外圍器件參數(shù)，首先必須確定電路的工作頻率,。
由RT引腳接阻值為226 kΩ ~ 1 MΩ 的電阻,，設(shè)定GATE 引腳輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率。該頻率的選擇與電感L 值和開(kāi)關(guān)管性能有關(guān),，一般在市電供電條件下,，頻率選擇在25 ~150 kHz。當(dāng)選擇過(guò)高頻率時(shí),，需要的電感值較小,，但對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求很高，此時(shí)開(kāi)關(guān)管功耗比低頻工作時(shí)大很多,。試驗(yàn)中,，先設(shè)置到100 kHz開(kāi)關(guān)頻率，在沒(méi)有散熱的情況下MOSFET 發(fā)熱量大,，極易燒毀,。當(dāng)頻率設(shè)置到26 kHz 時(shí)，計(jì)算所得電感很大,，在工作狀態(tài)中電感上消耗過(guò)多能量,，也不適合電路的高效率工作,，所以開(kāi)關(guān)工作頻率選50 kHz。
LED 的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定為0. 35 A,，根據(jù)芯片手冊(cè)中提供的計(jì)算公式可得到RT值為478 kΩ,，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)可以使用470 kΩ 電阻用作RT，采樣電阻RCS = 0. 62 Ω,。
電感L1取值與LED 電流的紋波值有關(guān),，一般限制紋波系數(shù)最大為0. 3，電感值的計(jì)算公式為：
電路驅(qū)動(dòng)了10 個(gè)LED,，其VLEDS為33 V,，Vin是經(jīng)過(guò)全波整流和濾波后的峰值電壓，其值為310 V,，ILED和fs取值同前,，代入式（ 2） 計(jì)算得到L1 = 5. 6 mH，電路中選用6. 8 mH 的電感,。
MOS 管選取了性能優(yōu)良的IRF840,，其最大耐壓500 V，最大漏極電流5 A,，導(dǎo)通電阻0. 6 Ω,。二極管選取快恢復(fù)二極管BYV26B，其反向耐壓VD =500 V,，正向平均電流1 A,，正向?qū)▔航?. 2 V.電容C2作為輸出濾波電路實(shí)現(xiàn)電壓濾波，C2在4. 7 ~ 33 μF 的電容中選取,，前級(jí)的濾波電容C0選擇4. 7 ~ 33 μF 的極性電容,，電容C1使用2. 2 μF 無(wú)極性電容。全波整流橋要求有高耐壓和大的過(guò)電流,，電路中選取DB206S,，可耐脈沖高壓800 V，浪涌電流2 A,，滿足電路設(shè)計(jì)要求,。
2. 2. 2 電路效率理論計(jì)算參考
整個(gè)電路中的主要損耗由功率MOS 管、采樣電阻,、負(fù)載LED 相連的電感L1,、快速二極管以及芯片HV9910B 產(chǎn)生［7］。根據(jù)文獻(xiàn)［7］所提供的相關(guān)公式和特定型號(hào)的原件參數(shù),，可以計(jì)算得到該電路的總體功耗PLOSS = PMOS + PDIODE + PINDUCTOR + PIC + PRS = 0. 032 +0. 389 + 0. 613 + 0. 31 + 0. 008 = 1. 352 W,。
電路輸出電功率為PO =33 ×0. 35 =11. 6 W，電路的整體轉(zhuǎn)換效率η =11. 6/（ 1. 35 +11. 6） ×100% =89. 57%.
從效率理論計(jì)算結(jié)果來(lái)看，該設(shè)計(jì)電路性能優(yōu)良,。
3 電路測(cè)試
對(duì)所設(shè)計(jì)的PWM 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電路搭建,，并采用數(shù)字電壓表，交流功率計(jì),，示波器等實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)其實(shí)物電路的工作狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試,。在電路正常工作情況下，對(duì)電路中的2 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓波形進(jìn)行測(cè)試,。
圖3 為施加到開(kāi)關(guān)器件柵極的PWM 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)波形,，其周期為14 μs，幅值8 V,，占空比8. 3%，周期和預(yù)設(shè)值有一定差距,，這主要是電阻RT阻值誤差造成的頻率設(shè)置偏差,。圖4 是LED 負(fù)載中電流的波形。測(cè)量過(guò)程是在LED 負(fù)載回路中串入0. 5 Ω 電阻測(cè)量其兩端的電壓波形,，利用電阻的線性特性來(lái)反映電流特性,。從波形上看，電流按照鋸齒波形周期性變化,，峰峰值為40 mV,，計(jì)算得到其電流紋波為80 mA，輸出電流均值為350 mA,，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到其紋波系數(shù)為22. 9%,。
圖3 PWM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)
圖4 LED負(fù)載中電流波形
電路的輸入功率PI實(shí)測(cè)為9. 9 W，負(fù)載消耗功率Pout為8. 7 W,，則該電路的轉(zhuǎn)換效率為87. 8%,，和對(duì)電路效率理論計(jì)算所得值相近。
經(jīng)過(guò)對(duì)電路的關(guān)鍵點(diǎn)波形測(cè)量,，和對(duì)電路功率的實(shí)測(cè),，得到該電路工作在71 kHz 的頻率開(kāi)關(guān)狀態(tài)，工作狀態(tài)穩(wěn)定,、輸出功率大,、效率較高。但是電路的輸出紋波系數(shù)偏高,，致使安全工作中LED 的發(fā)光照度不會(huì)達(dá)到其最優(yōu)值,，還需要對(duì)電路輸出濾波部分進(jìn)一步改進(jìn)提高。
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)分析了解LED 發(fā)光性能和電氣特性,，得到使用恒流電源驅(qū)動(dòng),、串聯(lián)方式連接LED 陣列的驅(qū)動(dòng)要求。在PWM 方式開(kāi)關(guān)電路原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了基于HV9910B 芯片的典型PWM 方式開(kāi)關(guān)電路,，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定其最佳工作頻率,，較好地完成了對(duì)白光大功率LED 的照明驅(qū)動(dòng)。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量,，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)LED 驅(qū)動(dòng)電源有著較為優(yōu)越的電路轉(zhuǎn)換效率,，工作電壓范圍寬，恒流輸出和轉(zhuǎn)換效率超過(guò)85%的特點(diǎn),。但是要更安全地驅(qū)動(dòng)白光LED 進(jìn)行日光照明,，就需要對(duì)開(kāi)關(guān)電路的輸出進(jìn)行更為優(yōu)秀的濾波處理，使電路的輸出紋波更小,，電流更平穩(wěn),。