大功率LED驱动电路的设计与实现.docx

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大功率LED驱动电路的设计与实现

大功率LED的驱动电路的设计与实现

摘要：

LED（lightemittingdiode）即发光二极管，是一种用途广泛的固体发光光源，可以将电能转化为光能。

从消耗功率来讲，通常把毫瓦级LED称为小功率LED，把瓦级LED称为大功率LED。

LED具有节能、环保、使用寿命长，体积小，使用低压直流电即可驱动，显色性高（不会对人的眼睛造成伤害）等优点，LED被广泛应用在背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大市场。

本设计采用恒流驱动方式作为LED驱动电路，提出一种基于恒流驱动芯片PT4115的高效率的大功率LED恒流驱动解决方案。

该种驱动电路结构简单、效率高、成本低，非常适合当今的市场发展。

关键词：

大功率LED；驱动电路；PulseWidthModulation（PWM）；PT4115

TheDesignofDriverCircuitforHigh-PowerLED

Abstract:

LEDmeanslightemittingdiode,whichisakindofsolidshinethelightsourceversatility,canconvertelectricpowerintolightenergy.Frompowerconsumptionspeaking,themwgradeLEDcalledsmallpowerLEDandthetilelevelLEDcalledhighpowerLEDusually.LEDhasmoreadvantages,suchasenergyconservation,environmentalprotection,longservicelife,smallsize,eazytodriveusingthelowvoltagedc,thehighshowcolor（notcausedamagetotheperson'seye）andsoon,anditiswidelyusedinfivebigmarketincludingbacklightsource,lighting,electronicequipments,displayscreens,automobiles.Thisthesismainlydescribestherealizationofdrivecircuitbyusingconstontcurrentdrivemode,andputforwardasolutionwithhighpowerLEDconstantcurrentdrivehigh-efficientlybasedonconstontcurrentdrivechipPT4115.Thedrivingcircuitissimple,highefficiencyandlowcost,andisverysuitablefortoday'smarketdevelopment.

Keywords:

HighpowerLED;Drivingcircuit;PulseWidthModulation（PWM）；PT4115

0引言

20世纪90年代以来，由于越来越严重的能源危机和气候变暖问题，节能已经成为全球普遍关注的话题。

而照明是人类能源消耗的重要方面，光源照明电器经过了有炽灯，荧光灯和高强度气体放电灯三个阶段，开始进入大功率LED照明灯阶段。

大功率LED照明灯是一种新型半导体光源，具有体积小，寿命长，节能环保等特点，它的成功研制，真正实现了绿色照明，被认为是21世纪最有价值的新光源。

但大功率LED容易受温度影响，加在两端的电压稍有提高就很容易引起半导体电流的较大变化，从而引起亮度的较大变化，而烧坏半导体芯片，所以驱动器必须提供恒定电流。

LED的发光强度与LED的正向电流具有非线性关系，LED的发光强度在一定范围内随着流过LED的电流增加而增加，继续增大正向电流，LED发光强度增加幅度降低甚至饱和，因此，应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。

大功率LED专用驱动芯片有很多类型，且效果均不错，但由于大部分此类芯片比较贵，大功率LED恒流驱动我们可以采用一种基于普通开关电源专用芯片PT4115的峰值电流控制的驱动电路，此电路应用简单，效率高，成本低，并对PT4115的外围电路进行了优化设计，从而实现大功率LED的ＰＷＭ调光控

制，避免了模拟调光带来的色坐标偏移问题。

其试验结果验证了该驱动电路的可行性。

１　LED驱动电源的发展现状和面临问题

1.1LED驱动电源的发展现状

标准电灯正在经历一场革命。

出于保护能源和应对全球气候变暖的考虑，美国一些州和其它一些国家开始禁止使用低能效的白炽灯泡。

各种新技术正纷纷被用于替换白炽灯泡，其中紧凑型真空荧光灯（CFL）是主要替代方案。

尽管这种CFL灯的功耗仅为白炽灯的20%，但却含有有毒物质汞。

相比之下，LED灯可以提供更高效和更环保的解决方案。

LED最初的商业应用出现在上世纪七十年代，但因其光输出极低，应用范围也仅限于指示灯和计算器显示屏等领域。

如今，能够产生白光的高功率LED在效率方面不断得以提升，价格也在逐年下降，因此它已成为主流照明应用值得考虑的选择之一。

近几届奥运会中，LED显示幕都是奥运比赛场馆不可或缺的主要设施。

2008年北京奥运会新建和改建的体育场馆数量众多，奥运场馆均采用了大量LED显示幕作为比赛实况播放和计分显示的设备。

可以说，2008年北京奥运会所采用的LED显示产品从数量到技术水准以及应用方面都达到了一个新的里程碑，这其中众多国内LED显示产品制造企业担当了重要的角色。

通过全球LED技术领导厂商对材料、工业和封装技术的努力改进，高亮度LED的发光效率和性能得到了显著提升，除了传统的背光和显示面板市场外，高亮度LED开始走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交通灯等全新应用。

这些都预示着LED驱动电源将有一个广阔的应用前景。

1.2LED驱动电源面临的问题

在LED大放异彩的同时，LED驱动电源器则是LED产业链的发展的保障，LED电源的品质直接制约了LED产品的可靠性，因此，在LED产业链逐步完善的今日，LED驱动电源的成熟也至关重要。

LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。

LED是2～3伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路。

国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高。

但是在市场一片繁荣的背景下，LED产品质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱，市场上LED产品如火如荼的发展态势下，就LED驱动电源企业而言，目前面临几个挑战。

首先是驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。

其次是LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥。

第三，以大调光比高效率地对LED调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。

同时要降低成本，目前在功率较小（1～5W）的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。

2大功率LED介绍

2.1　大功率LED发光原理

大功率LED是由III-IV族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

LED在正向电压下，电子荷由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）由于复合而发光。

理论和实践证明，光的峰值波长几与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即：

（1）

式中Eg的单位为电子伏特（eV）。

若要产生可见光（即波长在380nm紫光～780nm红光范围内），半导体材料的Eg应在3.26eV～1.63eV之间。

2.2LED主要性能指标

1）LED的颜色：

目前LED的颜色主要有红色,绿色,蓝色,青色,黄色,白色,暖白,琥珀色等颜色；

2）LED的电流：

一般小功率的LED的正向极限电流多为20mA。

但大功率LED的功率至少在1W以上，目前比较常见的有1W、3W、5W、8W和10W。

1WLED的额定电流为350mA,3W的LED额定电流为750mA。

3）LED的正向电压【1】：

LED的正极接电源正极,负极接电源负极。

一般1W的大功率LED的正向电压为3.5V～3.8V。

4）LED的反向电压：

所允许加的最大反向电压。

超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

5）LED发光强度：

光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的（发）光强（度），单位为坎德拉（cd）。

6）LED光通量：

光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量，单位为流明（lm）。

如1W大功率LED的光通量一般为60LM～80LM。

7）LED光照度：

1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度.，单位为勒克斯（lx）。

8）LED显色性：

光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色的逼真程度。

9）LED的使用寿命：

LED一般可以使用50,000小时以上。

2.3大功率LED的使用条件

1）光强分布：

掌握瓦级大功率LED的光强分布，是正确使用大功率LED所必需的。

2）色温分布：

大功率LED的色温分布是否均匀，将直接影响到照明效果；而且色温于显色指数是互相关联的，色温的改变会引起显色指数的变化。

3）热阻：

LED的热阻直接影响到LED器件的散热。

热阻越低，散热越好；热阻越高，散热越差。

LED器件温度升高会影响光的波长漂移。

根据经验，温度每升高１℃，光波长要漂移0.2-0.3nm,这样会直接影响器件的发光质量。

温升过高也直接影响瓦级大功率LED的使用寿命。

4）显色性：

显色性是白光LED的重要标志，用于照明的大功率白光LED的显色性必须在80以上。

3大功率LED的驱动方式

LED的驱动方式通常分为三种：

镇流电阻驱动；恒压源驱动；恒流源驱动。

由于LED是低电压、大电流的驱动器件，是离散性的性能参数，它的正向压降变化范围比较大（最大在１Ｖ以上）。

若采用恒压源驱动，LED正向电压的任何变化可能都会导致LED电流的变化，从而不能保证LED亮度的一致性，并且会影响LED的可靠性、寿命和光衰等特性。

同时LED的ＰＮ结的温度系数为负，温度升高时LED的正向压降会降低，随着LED工作温度的升高，电流会越来越大，以致损坏LED。

由于这个特点，所以LED必须采用恒流源供电。

大功率LED驱动电路除了要满足安全要求外，还应具备两个基本功能：

一是尽可能保持恒流特性，以便使其在电源电压发生变动时，仍能保持输出的电流是在可控制的范围内变动；二是应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率保持在较高水平。

随着更新一代大功率LED所需的驱动电流的增加，要更多的考虑到LED本身和电流驱动电路的散热管理和功耗等问题。

本设计框图如图1所示：

图１　恒流驱动方式电路框图

4LED的连接方式

LED的连接方式有串联、并联、混联三种，如图2所示。

下文分析了各种连接方式的优缺点以及其各自的应用场合。

4.1串联驱动

串联驱动保证流过每个LED的电流相等，由于LED的发光亮度和其导通电流呈正比关系，所以采用此种驱动方式可以使LED发光亮度均匀，适合与对发光亮度的匹配性要求高的电路。

串联驱动的不足之处在于其需要较高的驱动电压，所以需要升压电路将电源电压抬升或者直接的高电源电压，而高的电源电压往往要求芯片采用耐高压工艺制造。

另外，如果一个LED断开，则整个LED串就熄灭。

当采用恒定电压驱动时，如果某个LED短路，则余下的LED的正向压降会增加，致使电流增大，可能会烧毁LED灯和电路。

当然，采用恒定电流驱动时则不会存在上述问题。

4.2并联驱动

并联驱动的特点是只需要低的电源电压就可以驱动多个LED，其要求驱动电路能提供比较大的驱动电流。

由前所述知LED正向导通压降存在一定差异，所以并联驱动的最大不足是流过每个LED的电流不相等，致使LED的亮度不匹配。

当并联LED采用恒流驱动的方式时，如果某个LED灯断开，则会使余下LED流过的驱动电流增大，可能导致损坏所有的LED。

串联驱动并联驱动混联驱动

图2LED的连接方式

4.3混联驱动

当要驱动的LED数量很多时，若采用串联驱动，则会要求很高的电源电压;若采用并联驱动，则会要求很大的负载驱动电流，所以就出现了混联驱动。

混联驱动是串/并联两种方式的综合，适合于驱动大量LED的场合。

当然，以上分类并没有绝对的优劣之分，还要看实际的应用场合。

例如对于作为手持设备背光用的LED驱动电路，要求驱动电路的结构简单，封装较小，以实现小型化，而驱动方式上，多采用并联驱动。

对于照明用白光LED的驱动电路，要求有较大的驱动电流，较好的光匹配度，因此多采用串连驱动。

本设计的驱动电路结构应尽量简单，且由于LED使用了恒流驱动方式，因此，我们采用串联驱动方式。

5适配器的选择

本设计首先要将高压的交流电变换成低压的直流恒流源，然后经过驱动芯片输出恒流才能点亮LED光源。

最经济有效的降压方法和进行交直流变换是使用当今便携式电子产品，即交流电源的交直流降压变换器--适配器（Adapter），

图3适配器

如图3所示，既经济实惠，又现成好用。

适配器的输出电压要求稳定在DC12V，适配器的输出电流要根据LED的光源的功率来选择，一般要给予30%的余量。

1W的白光LED的标准工作电流应为350mA，3个白光LED光源串联其电路需要的电流也是　350mA，考虑到延长LED寿命和降低光衰，可以设计为300mA～330mA，不会明显的影响到LED发光的亮度，所以适配器的输出电流应选750mA～1A的范围内。

6大功率LED的选择

可以选择1W的白光LED，其参数如下：

•功率：

1W

•光通量：

20～30LM

•顺向电压：

3.5～3.8V

•额定电流：

350mA

•光衰：

≤5%每千小时光衰。

7芯片选择

大功率LED是低电压、大电流的驱动器件，其发光强度由流过LED的电流决定。

电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，LED需要恒流驱动，因此好的LED驱动芯片至关重要。

目前市场上有很多种型号的恒流驱动芯片，本设计选用了PT4115，如图4，它和其他驱动芯片相比有以下优点，一是DIM调光由高到底更安全，二是TSD有过温保护作用，可以保证系统安全可靠地工作，三是采用频率抖动技术有效降低EMI，从而减少电磁干扰。

图4恒流驱动芯片PT4115

7.1芯片PT4115介绍

PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED。

PT4115输入电压范围为6V到30V，输出电流可调，最大可达1.2Ａ。

跟据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十瓦的LED。

PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。

当DIM的电压低于0.3Ｖ时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。

PT4115采用SOT89-5封装和ESOP8封装。

7.2PT4115特点

●极少的外部元器件；

●很宽的输入电压范围：

从6V到30V；

●最大输出1.2A的电流；

●复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光和PWM调光；

●LED开路自然保护；

●输出可调的恒流控制方法。

●增强散热能力的ESOP8封装可用于大功率驱动。

7.3PT4115的简化模块图

恒流驱动芯片PT4115的简化模块图如图5所示。

图5　PT4115的简化模块图

7.4PT4115的管脚图

恒流驱动芯片PT4115的管脚图如图6所示，管脚功能如表1所示。

图6　PT4115的管脚图

表1PT4115的管脚功能

管脚号

管脚名称

1

SW

功率开关的漏端

2

GND

信号和功率地

3

DIM

开关使能、模拟和PWM调光端

4

CSN

电流采样端，采样电阻接在CSN和VIN端之间

5

VIN

电源输入端，必须就近接旁路电容

-

Exposed

PAD

散热端，内部接地，贴在PCB板上减小热阻

ESOP84,5

NC

无连接,接地或悬空

7.5　PT4115的极限参数

恒流驱动芯片PT4115的极限参数值如表2所示。

表2PT4115的极限参数值

符号

参数

参数范围

单位

VIN

电源电压

-0.3～45

V

SW

功率开关的漏端

-0.3～45

V

CSN

电流采样端（相对VIN）

+0.3～（-6.0）

V

DIM

开关使能、模拟和PWM调光端

-0.3～6

V

ISW

功率开关输出电流

1.5

A

PDMAX

功耗

1.5

W

PTR

热阻,SOT89-5（θJA）

45

oC/W

PTR

热阻,ESOP-8（θJA）

40

oC/W

TJ

工作结温范围

-40～150

oC

TSTG

储存温度范围

-55～150

oC

ESD

2

kV

8电路设计

8.1大功率LED的驱动电路图设计

大功率LED驱动电路设计如下图7所示

图7　设计电路原理图

原理图器件说明

D1～D4组成单相桥式整流电路，将交流变成直流，即不管U1输出的是直流还是交流，经过这个整流桥之后输出的电流总是直流的，给驱动芯片PT4115输入稳定的12V直流，保证电路正常工作，桥式整流电路二极管常用1N4007。

C1是滤波电容，用以把脉冲直流变换成平滑的直流。

应选电解电容，型号为100uF/25V。

R1是取样电阻，控制PT4115输出电流的大小，它决定恒流源的绝对精度。

R1的阻值与负载电流大小有关，一般用下面公式计算：

由于负载是3个串联的1WLED，额定电流为350mA，则采样电阻R1的大小为：

所以R1可以选择阻值约为0.2857欧姆的金属膜电阻。

L1是整流电感，功能是把100KHz的脉冲电流变换成三角波电流，L1的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。

因为PT4115的设计最佳工作频率在1MHz以下，本方案的电感设计在68uH以上，这样系统工作频率可以控制到1MHz以下。

电感量小了，工作频率趋高，由于PT4115内部电流检测电路响应速度限制，对内部电流正常检测出现影响，不能更好的实现对内部开关的导通/关断控制。

另外电感量太小还会导致PT4115的SW端烧坏，而无输出。

所以此设计中L1的电感量应选用68uH—100uH，Q值大于50，饱和电流大于800mA的磁路闭合电感器。

D5是续流二极管，在晶片内部MOS管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路。

由于工作在高频脉冲状态，D5应选用正向压降小，恢复速度快的肖特基二极管SS24。

芯片PT4115的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻作辅助温度控制和自动亮度控制。

由于本设计中不用调节LED灯的亮度，所以DIM端悬空即可。

8.2PT4115的动态温度调节和过温保护

PT4115具有动态温度调节的功能，并且可以在此功能的基础上实现过温保护功能。

动态温度调节的电路图如下左图所示。

从图中可见，DIM端内部是一个1M的上拉电阻，连接到内部5V电源上。

所以DIM端电压由内部上拉电阻和热敏电阻NTC分压决定。

从热敏电阻的特性可以知道，温度的变化会影响NTC（NegativeTemperatureCoeffiCient）的阻值，进而影响DIM端电压，以实现PT4115的动态温度调节。

过温保护的实现从如图8中右图中可见，相对于左图多了一个三极管，当温度升高时。

NTC电阻的阻值减小，其上的分压也减小，则相应的其下面电阻上的分压升高，当超过三极管的开通电压时，三极管导通，DIM端接地，关断LED电流，当温度降低时，PT4115重启，因此实现了PT4115的过温保护。

图8　PT4115的动态温度调节和过温保护

本设计论文从LED的特性和连接方式出发，论述了LED的各种驱动方式，并以流过LED的电流恒定为基本目的，设计了一个简单的大功率LED驱动电路。

在整个设计中，首先阐述了该驱动电路的基本原理，给出了理论依据。

然后根据功能需要设计了一个驱动3

1W的LED驱动电路，并针对应用特点提出了设计中还存在的不足，用实验的方法论证了方案的可行性。

在LED光源的设计中，考虑各种因素，成功的完成了用LED光源代替传统的光源，使光源兼有节能、环保、长寿和美观等特点。

以下是设计中需要注意的问题：

（1）驱动芯片PT4115是40V的CMOS工艺制造的，电子功率器件要安全可靠地工作，必须要留有足够的冗余度，这样才有利于器件的散热，所以输入电压最好是在直流12V左右；

（2）PT4115内部自带过温保护功能，外部过温保护可设，对LED实现双重保护；

（3）PT4115可利用模拟调光的原理以及温度对LED电流的负反馈实现LED灯具动态温度控制，只要在调光端（DIM）加一热敏电阻或PN结即可实现PWM调光，但PWM调光有其劣势，主要反映在PWM调光很容易使得白光LED的驱动电路产生人耳听得见的噪声，因此本设计中没有设计PWM调光；

（4）驱动3个1W的LED灯比只驱动一个3W的LED灯的发光效率更高；

（5）在以市电为输入电源的LED驱动方案中，有隔离型与非隔离型两种驱动方案，隔离型驱动安全但效率较低，非隔离型驱动效率较高；

（6）交流12V整流管和续流二极管一定要选用低压降的肖特基二极管SS24以降低自身功耗；

（7）PT4115利用频抖技术较好地改善了EMI。

频率抖动技术（FrequencyJiRer）是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI问题的新方法。

频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄带变为宽带的方式来降低EMI，来减小电磁干扰的方法。

频率抖动技术通过扩展电源噪声频谱的方式降低了窄带EMI，频率抖动应不超过基本频率的20％至30％。

9总结

根据大功率LED的发光特性可以看出，需要控制其平均电流来控制其亮度，但由于电压的较小变化将引起其电流的较大变化。

要控制LED的亮度，驱动器必须提供准确恒定的平均电流。

在当前汽车、工业、民用照明系统中，LED照明应用将前所未有地加速增长，导致对大电流LED驱动器集成电路提出了很多非常具体的性能要求：

LED驱动器必须提供恒定电流，在输入电压或LED正向电压变化时保持一致的亮度，而且必须以高效率工作。

本文介绍了LED的光原理；对LED的连接方式进行了分析和比较；通过比较三种LED的驱动方式，综合考虑设计简单、低电流消耗、高效率、短路保护、开路LED保护和高调光比（PWM调光）等要求，提出了一种用恒流驱动电路驱动大功率LED的设计电路。

本论文电路设