《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > 詳解基于結(jié)溫保護的LED驅(qū)動設(shè)計(圖)
詳解基于結(jié)溫保護的LED驅(qū)動設(shè)計(圖)
摘要: LED壽命長、效率高是有前提的,即適宜的工作條件,。其中影響壽命和發(fā)光效率的主要因素是LED的工作結(jié)溫。從主流LED廠家提供的測試數(shù)據(jù)表明,,LED的發(fā)光效率與結(jié)溫幾乎成反比,壽命隨著結(jié)溫升高近乎以指數(shù)規(guī)律降低。因此,將結(jié)溫控制在一定范圍是確保LED壽命和發(fā)光效率的關(guān)鍵,。而將結(jié)溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外,將結(jié)溫納入驅(qū)動電源的控制參數(shù)是十分必要的,。
Abstract:
Key words :

  隨著LED外延材料、芯片工藝及封裝技術(shù)的進步,,LED的發(fā)光效率不斷提高,,這使得LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源成為可能。理論上說,,LED具有壽命長,、效率高等優(yōu)點,但在一些實際應(yīng)用中卻給人留下了光衰大,、壽命短的印象,,這大大影響了半導(dǎo)體照明的普及和推廣。究其原因,主要是LED的驅(qū)動電源問題,。

  LED壽命長,、效率高是有前提的,即適宜的工作條件,。其中影響壽命和發(fā)光效率的主要因素是LED的工作結(jié)溫,。從主流LED廠家提供的測試數(shù)據(jù)表明,LED的發(fā)光效率與結(jié)溫幾乎成反比,,壽命隨著結(jié)溫升高近乎以指數(shù)規(guī)律降低,。因此,將結(jié)溫控制在一定范圍是確保LED壽命和發(fā)光效率的關(guān)鍵,。而將結(jié)溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外,,將結(jié)溫納入驅(qū)動電源的控制參數(shù)是十分必要的。

  1 LED結(jié)溫的檢測

  LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度,,實際測量LED的結(jié)溫比較困難,,但是可以根據(jù)LED的溫度特性間接測量。

  LED的伏安特性和普通的二極管相似,。用于白光照明的藍光LED典型的伏安特性如圖1所示,。

圖1 LED的伏安特性

  LED的伏安特性和其它二極管一樣具有負(fù)溫度系數(shù)的特點,即在結(jié)溫升高時I/V曲線出現(xiàn)左移現(xiàn)象,,如下圖所示,。

圖2 伏安特性的溫度特性

  隨著LED外延材料、芯片工藝及封裝技術(shù)的進步,,LED的發(fā)光效率不斷提高,,這使得LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源成為可能。理論上說,,LED具有壽命長,、效率高等優(yōu)點,但在一些實際應(yīng)用中卻給人留下了光衰大,、壽命短的印象,,這大大影響了半導(dǎo)體照明的普及和推廣。究其原因,,主要是LED的驅(qū)動電源問題,。

  LED壽命長、效率高是有前提的,,即適宜的工作條件,。其中影響壽命和發(fā)光效率的主要因素是LED的工作結(jié)溫。從主流LED廠家提供的測試數(shù)據(jù)表明,,LED的發(fā)光效率與結(jié)溫幾乎成反比,,壽命隨著結(jié)溫升高近乎以指數(shù)規(guī)律降低,。因此,將結(jié)溫控制在一定范圍是確保LED壽命和發(fā)光效率的關(guān)鍵,。而將結(jié)溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外,,將結(jié)溫納入驅(qū)動電源的控制參數(shù)是十分必要的。

  1 LED結(jié)溫的檢測

  LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度,,實際測量LED的結(jié)溫比較困難,,但是可以根據(jù)LED的溫度特性間接測量。

  LED的伏安特性和普通的二極管相似,。用于白光照明的藍光LED典型的伏安特性如圖1所示,。

圖1 LED的伏安特性

  LED的伏安特性和其它二極管一樣具有負(fù)溫度系數(shù)的特點,即在結(jié)溫升高時I/V曲線出現(xiàn)左移現(xiàn)象,,如下圖所示,。

圖2 伏安特性的溫度特性

  一般LED的結(jié)溫每升高1°C ,I/V曲線會向左平移1.5~4mV,假如所加的電壓為恒定,那么顯然電流會增加,,電流增加只會使它的結(jié)溫升得更高,,甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)。所以,,目前LED驅(qū)動電源一般設(shè)計為恒流供電,。

  根據(jù)I/V曲線隨結(jié)溫升高左移的規(guī)律,在恒流供電的情況下,,測量LED的正向電壓就可以推算LED結(jié)溫,。

  在實際應(yīng)用中,往往不需要確定LED結(jié)溫的特別精確的數(shù)值,,此時可以用試驗的方法確定整體燈具LED光源結(jié)溫的估算數(shù)值,。以一個12W筒燈為例,光源部分由4并6串中功率LED組成,,其電路連接形式如下:

圖3 LED光源電路連接圖

  確定正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系的試驗步驟為:1)將光源置入恒溫箱中,;2)設(shè)置恒溫箱的溫度;3)待恒溫箱內(nèi)溫度充分平衡穩(wěn)定后,,在光源兩端接入恒流源,;4)迅速測量光源的正向電壓并記錄;5)重復(fù)上述步驟1)~(4),,恒溫箱溫度由低到高,,測得多點數(shù)據(jù)。


  按上述步驟,,對12W筒燈光源進行三次測量,,數(shù)據(jù)如下:

表1 LED正向壓降與結(jié)溫的測量數(shù)據(jù)

  由表1可以看出,,測量數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)律性很明顯,。

  因測試時間較短,,可以將測量時恒溫箱設(shè)置溫度近似等于LED光源的結(jié)溫。在600mA恒流的情況下,,通過數(shù)學(xué)方法不難得出光源模塊正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系,。利用Excel工具,以溫度為X軸,,平均值為Y軸,,生成(X,Y)散點圖,選擇線性回歸分析類型則可生成如下趨勢圖和公式,。

圖4 Excel生成的趨勢圖

  由此可見,,一個由4并6串中功率LED組成的光源,在600mA恒流驅(qū)動時其正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系為:

  Vf = -0.0207Tj+ 20.332 (1)

  Tj= 982.22-48.31Vf (2)

  式中Vf為LED光源的正向壓降,,Tj為結(jié)溫,。需要注意的是,不同廠家不同規(guī)格的LED產(chǎn)品雖然都符合上述趨勢,,但具體數(shù)據(jù)卻有一定的差異,,因此更換廠家后規(guī)格型號需重新試驗。

  2 LM3404介紹

  隨著LED照明應(yīng)用的發(fā)展,,國內(nèi)外廠家推出了很多用于驅(qū)動LED的器件,。其中美國國家半導(dǎo)體公司推出的LM3404及系列產(chǎn)品就是一款非常適用于中小功率LED光源的恒流驅(qū)動芯片。

  LM3404內(nèi)置MOS開關(guān)管,,最大輸出電流1A,效率高達95%.這款芯片采用8引腳SOIC封裝,,其中的一條引腳可以利用脈寬調(diào)制(PWM)輸入信號控制LED的光亮度。

  此外,,這款芯片可以利用低至0.2V的反饋電壓提供電流檢測功能,。輸入電壓6~42V,其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 LM3404內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

 

  引腳定義:

  SW:內(nèi)部MOS管輸出端,,一般需外接一個電感和一個肖特基二極管,;

  BOOT:內(nèi)部MOS管啟動引腳,一般用一個10nF電容與SW端相連,;

  DIM:PWM調(diào)光輸入端,,通過輸入不同占空比的PWM信號,可調(diào)整輸出的平均功率,;

  GND:接地端,;

  CS:反饋引腳,用于設(shè)置恒流值,;

  RON:在線控制端,,該引腳接地可使芯片停止工作并處于低功耗狀態(tài);

  VCC:供電引腳,,該端由芯片內(nèi)部提供一個7V電壓,,應(yīng)用時接一個濾波電容到地,;

  VIN:輸入端,電壓范圍6~42V,對于LM3404H范圍為6~75V.

  LM3404應(yīng)用十分簡單,,一個用LM3404的典型應(yīng)用如圖6所示,。

圖6 LM3404典型應(yīng)用電路圖

  圖中,Rsns為取樣電阻,,可根據(jù)設(shè)計恒流值確定,;Ron一般選用100k左右的電阻;可決定開關(guān)頻率,;L1為輸出電感,,可根據(jù)設(shè)計紋波及開關(guān)頻率等參數(shù)確定。

  3 基于結(jié)溫保護的LED電源設(shè)計

  基于結(jié)溫保護的LED驅(qū)動電路關(guān)鍵在于結(jié)溫檢測和如何保護,。根據(jù)上述結(jié)溫與LED正向電壓的關(guān)系,,測量LED光源的正向電壓即可確定結(jié)溫,但一般LED恒流驅(qū)動電路的紋波較大,,為避免誤保護,,檢測電路必須要對測量值進行濾波。另一方面,,當(dāng)結(jié)溫超過設(shè)定值時的保護措施,,如能使光源降低功率工作,整個燈具降級運行,,是較為合理的方案,。采用帶模擬輸入的低功耗的單片機,可以對檢測數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波,,并通過PWM輸出控制驅(qū)動調(diào)節(jié)LED光源功率,,可簡化檢測電路和控制電路的設(shè)計。

  Microchip公司PIC12F675具有可編程的4通道模擬量輸入,、10位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的低功耗在線可編程的單片機,,其內(nèi)置看門狗、4MHz振蕩器,、128字節(jié)EEPROM,單字節(jié)指令系統(tǒng),,8腳封裝。是一款簡單實用的,、性價比較高的單片機,。將LED光源的正向電壓經(jīng)取樣后接入PIC12F675的模擬輸入端,經(jīng)AD轉(zhuǎn)換,、去除粗大誤差,、取多個數(shù)據(jù)的均值作為結(jié)溫判斷依據(jù),輸出PWM信號對恒流驅(qū)動芯片進行控制,,以達到調(diào)節(jié)輸出功率的效果,。

  此外,,根據(jù)測量值還可以進行開路判斷,從而也簡化了開路保護電路,。

  仍以光源部分由4并6串中功率LED芯片組成的筒燈為例,設(shè)計恒流值為600mA,結(jié)溫保護點為80℃左右,,根據(jù)式(1)得出其光源電壓保護點為18.68V,即光源兩端的電壓低于18.68V時,,LED結(jié)溫會超過80℃,此時驅(qū)動應(yīng)采取保護措施,。由LM3404和PIC12F675組成的基于結(jié)溫保護的LED電源電路原理圖如圖7所示,。

圖7 基于結(jié)溫保護的LED電源電原理圖

  原理圖中,CX1,、L1,、L2組成輸入EMC濾波電路,經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換輸出24V直流,,如為電池供電的應(yīng)急照明,、太陽能照明、及車載照明等應(yīng)用時,,則該部分省略,。R1、LM3404,、C4,、D1、L3,、R7組成典型的恒流驅(qū)動電路,,對于4并6串的LED中功率芯片組成的光源模塊,取樣電阻為0.39Ω,。R2,、R3、R4與LM431組成穩(wěn)壓電路,,為PIC12F675提供穩(wěn)定的5V電源和內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn),。

  LM3404的輸出經(jīng)R5、R6分壓后輸入PIC12F675的模擬端口AN2,PIC12F675經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換,、計算獲取LED光源的正向電壓,,根據(jù)設(shè)定值程序產(chǎn)生PWM信號,通過GP4引腳接入LM3404的DIM端對其輸出功率進行調(diào)整,。

  PIC12F675初始設(shè)置GP4輸出高電平,,如測得LED正向電壓在合理范圍內(nèi),則維持高電平輸出使LM3404正常工作,;如LED正向電壓逐漸變低并低于設(shè)定值18.68V,則在GP4引腳輸出PWM信號,,其占空比可依次降低,,直至LED正向電壓低于設(shè)定值。當(dāng)測得LED正向電壓很高時可判定輸出開路,, PIC12F675可輸出低電平關(guān)閉LM3404的輸出,。

  需要指出的是,輸出電壓取樣包含了用于LM3404恒流控制的電流取樣電壓約0.23V,在PIC12F675的計算程序中應(yīng)予以調(diào)整,。

  PIC12F675的程序框圖見圖8.

圖8 單片機程序框圖

  4 結(jié)語

  對于由4并6串中功率LED組成的12W筒燈,,在采用上述驅(qū)動方案的試驗中,人為向散熱外殼吹熱風(fēng)或光源與散熱外殼接觸脫離時,,LED光源將迅速變暗,,光源基板溫度隨之下降,有效地保護了光源本身,。當(dāng)使燈具恢復(fù)正常狀態(tài)后,,LED光源亮度也很快恢復(fù)正常。

  實際應(yīng)用中,,結(jié)溫超出設(shè)定值的原因很多,,如惡劣的環(huán)境、散熱器接觸問題,、或在強制風(fēng)冷條件下的風(fēng)機停轉(zhuǎn)等,。結(jié)溫升高將導(dǎo)致LED光源的正向電壓下降,特別在光源由多個LED串聯(lián)的情況下,,下降幅度十分明顯,。

  通過檢測LED光源正向電壓的方法,間接測量結(jié)溫,,并應(yīng)用單片機調(diào)節(jié)LED光源的功率,,可大大提高整體燈具的可靠性和壽命。此外,,基于結(jié)溫保護的LED電源由于利用單片機進行控制,,很容易擴展其它功能。如作為路燈,,可通過編程使后半夜降低功率運行,,從而進一步節(jié)能和延長燈具壽命;加入其它傳感器,,可實現(xiàn)按需照明,;加入遠程通訊模塊,可以使燈具組成智能控制網(wǎng)絡(luò)等等,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。