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1、白光白光 LED 驱动电路的设计与实现驱动电路的设计与实现文章出处： 发布时间： 2011/11/01 | 1504 次阅读 | 2 次推荐 | 0 条留言业界领先的 TEMPO 评估服务 高分段能力，高性能贴片保险丝 专为 OEM 设计师和工程师而设计的产品 使用安捷伦电源，赢取 iPad2 Samtec 连接器 完整的信号来源 每天新产品 时刻新体验 完整的 15A 开关模式电源 摘要：通过对 LED 电气特性分析，根据其工作特点设计了一种以 HV9910B 为核心的市电供电PWM 工作模式高效白光 LED 驱动电路。通过理论计算和实验测量，确定了电路的工作频率，测试结果表明，该驱动电路工
2、作电压范围宽、恒流输出，转换效率超过 85%。随着 LED 的迅速发展。现在白光 LED 光源相比的传统光源具有寿命长、固体照明不易损坏、高光效、无汞环保、抗震等优点，未来将成为第三代光源，将带来照明领域的又一次革命。将 LED 使用到照明领域，需要适合 LED 的驱动电源，文中利用 PWM 开关控制方式设计实现了一种白光 LED 的大功率驱动电路。1 LED 电气特性和驱动要求电气特性和驱动要求1. 1 LED 的电学特性的电学特性白光 LED 的 I - V 特性与普通二极管类似，只是开启电压不同，不同材料制备的 LED 开启电压一般在 1. 5 3. 0 V 之间。处于正向工作区时，工作
3、电流 IF 与外加电压呈指数关系：式中，IS为反向饱和电流； VF为二极管两端的外加电压； q 为电子电荷； k 为波尔兹曼常数； T 为热力学温度。LED 可长期稳定工作时的直流电流，称为额定工作电流，此时 LED 压降称为额定电压。1 W 的白光 LED,其额定工作电流 350 mA,额定电压 3. 3 V。允许加在 LED 两端正向电压与流经 LED 电流之积的最大值为其极限功耗，当实际功耗超过该值时，LED 发光特性变差，严重时会使 LED 产生结构破坏。1. 2 LED 驱动要求驱动要求由 LED 的 I - V 特性可知，当加在 LED 两端的电压稍有波动，都会引起电流的剧烈变化，
4、此时很容易使电流过大，输入功率超过其极限功耗，从而对 LED 造成不可恢复的损坏。当 LED 工作电流值不同时，其发光强度也不同，若采用恒压驱动，则 LED 阵列应采用并联方式连接，但是由于 LED 个体之间的参数误差，会导致各支路的电流不同，致使阵列发光强度不均匀，因此 LED 的驱动电路一般选择恒流驱动模式，相应的 LED 阵列亦采用串联方式连接，驱动电流一般设为 LED 额定电流的 70% 85%,以保护 LED,达到延长使用寿命的目的，同时也使每个 LED 的发光强度均匀一致。LED 驱动电路设计中，需要考虑以下几个基本指标：（1） 提高驱动电路的转换效率，减小电路中的功耗。（ 2）
5、提高电路的可靠性，能够耐高压，具有过流检测功能。（ 3） 电路尽量精简，有较小的电路体积和较低的制造成本。2 PWM 方式开关电路设计方式开关电路设计2. 1 PWM 原理原理PWM 即脉冲宽度调制，利用脉冲控制开关电路的开关时间，可以控制电路输出的平均电压或电流从而达到控制电路的输出功率。PWM 开关稳压或恒流的基本工作原理是在输入电压、系统参数及外接负载发生变化的情况下，在固定工作频率下控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定。由于控制器件功耗小，工作在开关状态中的电路效率高，所以电源效率一般可以做到 80% 90
6、% 。该类电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。PWM 开关电路由 4 部分组成，即输入整流滤波、PWM 控制、开关器件和输出滤波。根据PWM 方式开关电路设计的 LED 驱动电路框图如图 1 所示。图 1 PWM 方式开关电路设计的 LED 驱动电路框图常见 PWM 开关控制信号产生部分大都实现了集成化，更加精简 PWM 开关电源的设计，下面介绍利用芯片 HV9910B 设计适用于大功率 LED 的典型 PWM 方式开关驱动电路。2. 2 电路设计电路设计HV9910B 是一种通用 LED 驱动控制器，它的适应性强，即可使用国际通用的市电供电，也可以用蓄电池或者太阳能供电，而且能够接受范围
7、较宽的输入电压。输出的恒流驱动电流范围极宽，从几十 mA 到 1 A 以上。使用 HV9910B 搭建的驱动器使用器件较少，电路简单，生产成本也会降低。由HV9910B 设计的 LED 恒流驱动电路如图 2 所示，输入为 AC 220 V 的市电，负载为 10 只功率为 1 W 的 LED 串联组成阵列。图 2 基于芯片 HV9910B 控制的 LED 驱动电路电路输入级由全波整流桥和一个滤波电容组成，完成对交流电的整流滤波。控制级由 HV9910B 芯片搭建，经输入级滤波后的电压输入到芯片的 Vin,作为电路的输入电压 VI,其峰值是 310 V,均值为 190 V.VDD、LD、PWMD
8、端通过电容器接 GND 端，以维持相应引脚的片内电压。由 GATE 端输出频率一定的方波脉冲信号作为开关信号控制开关管，其频率由 RT 端所接的电阻设定，脉冲宽度由 CS 端采样电阻 RCS 反馈的 LED 电流信号控制。电感 L1 在电路中起着至关重要的作用，为驱动电路提供滤波和储能以及续流供电，以保持负载中电流的均衡性，恢复二极管完成构建续流通路的作用。在开关信号开通半周内，由前级滤波后的电势向 LED 负载直接供电，并给 L1 充电； 在开关信号关断半周内，由充满能量的L1 给快恢复二极管、LED 组成的回路供能，实现在一个周期内完成对 LED 的持续驱动。2. 2. 1 电路参数计算和
9、器件选择电路参数计算和器件选择参考芯片的使用手册和具体电路要求可以确定芯片的外围器件参数，首先必须确定电路的工作频率。由 RT 引脚接阻值为 226 k 1 M 的电阻，设定 GATE 引脚输出的开关信号频率。该频率的选择与电感 L 值和开关管性能有关，一般在市电供电条件下，频率选择在 25 150 kHz。当选择过高频率时，需要的电感值较小，但对开关管的要求很高，此时开关管功耗比低频工作时大很多。试验中，先设置到 100 kHz 开关频率，在没有散热的情况下 MOSFET 发热量大，极易烧毁。当频率设置到 26 kHz 时，计算所得电感很大，在工作状态中电感上消耗过多能量，也不适合电路的高效
10、率工作，所以开关工作频率选 50 kHz。LED 的驱动电流设定为 0. 35 A,根据芯片手册中提供的计算公式可得到 RT 值为 478 k，在设计允许范围内可以使用 470 k 电阻用作 RT,采样电阻 RCS = 0. 62 。电感 L1 取值与 LED 电流的纹波值有关，一般限制纹波系数最大为 0. 3,电感值的计算公式为：电路驱动了 10 个 LED,其 VLEDS 为 33 V,Vin 是经过全波整流和滤波后的峰值电压，其值为 310 V,ILED 和 fs 取值同前，代入式（ 2） 计算得到 L1 = 5. 6 mH,电路中选用 6. 8 mH 的电感。MOS 管选取了性能优良的
11、 IRF840,其最大耐压 500 V,最大漏极电流 5 A,导通电阻 0. 6 。二极管选取快恢复二极管 BYV26B,其反向耐压 VD =500 V,正向平均电流 1 A,正向导通压降 1. 2 V.电容 C2作为输出滤波电路实现电压滤波，C2 在 4. 7 33 F 的电容中选取，前级的滤波电容 C0 选择 4. 7 33 F 的极性电容，电容 C1 使用 2. 2 F 无极性电容。全波整流桥要求有高耐压和大的过电流，电路中选取 DB206S,可耐脉冲高压 800 V,浪涌电流 2 A,满足电路设计要求。2. 2. 2 电路效率理论计算参考电路效率理论计算参考整个电路中的主要损耗由功率
12、MOS 管、采样电阻、负载 LED 相连的电感 L1、快速二极管以及芯片 HV9910B 产生7.根据文献7所提供的相关公式和特定型号的原件参数，可以计算得到该电路的总体功耗 PLOSS = PMOS + PDIODE + PINDUCTOR + PIC + PRS = 0. 032 +0. 389 + 0. 613 + 0. 31 + 0. 008 = 1. 352 W.电路输出电功率为 PO =33 0. 35 =11. 6 W,电路的整体转换效率 =11. 6/（ 1. 35 +11. 6） 100% =89. 57%.从效率理论计算结果来看，该设计电路性能优良。 3 电路测试电路测试对
13、所设计的 PWM 开关驱动电路进行电路搭建，并采用数字电压表，交流功率计，示波器等实验仪器对其实物电路的工作状态进行了测试。在电路正常工作情况下，对电路中的 2 个关键点的电压波形进行测试。图 3 为施加到开关器件栅极的 PWM 开关控制信号波形，其周期为 14 s,幅值 8 V,占空比 8. 3%,周期和预设值有一定差距，这主要是电阻 RT 阻值误差造成的频率设置偏差。图 4 是 LED 负载中电流的波形。测量过程是在 LED 负载回路中串入 0. 5 电阻测量其两端的电压波形，利用电阻的线性特性来反映电流特性。从波形上看，电流按照锯齿波形周期性变化，峰峰值为 40 mV,计算得到其电流纹波
14、为80 mA,输出电流均值为 350 mA,经过计算得到其纹波系数为 22. 9%。图 3 PWM 开关控制信号图 4 LED 负载中电流波形电路的输入功率 PI 实测为 9. 9 W,负载消耗功率 Pout 为 8. 7 W,则该电路的转换效率为 87. 8%,和对电路效率理论计算所得值相近。经过对电路的关键点波形测量，和对电路功率的实测，得到该电路工作在 71 kHz 的频率开关状态，工作状态稳定、输出功率大、效率较高。但是电路的输出纹波系数偏高，致使安全工作中 LED 的发光照度不会达到其最优值，还需要对电路输出滤波部分进一步改进提高。4 结束语结束语通过分析了解 LED 发光性能和电气特性，得到使用恒流电源驱动、串联方式连接 LED 阵列的驱动要求。在 PWM 方式开关电路原理的基础上，设计出了基于 HV9910B 芯片的典型 PWM 方式开关电路，通过实验测量确定其最佳工作频率，较好地完成了对白光大功率 LED 的照明驱动。通过理论计算和实际测量，发现开关 LED 驱动电源有着较为优越的电路转换效率，工作电压范围宽，恒流输出和转换效率超过 85%的特点。但是要更安全地驱动白光 LED 进行日光照明，就需要对开关电路的输出进行更为优秀的滤波处理，使电路的输出纹波更小，电流更平稳。
