白光LED驱动电路

白光LED驱动电路 第一章 绪 论 1.1 白光LED的发光原理及其制造工艺 LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光:注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。跟一般的二极管一样，LED半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面的载流子以空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边多数载流子主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。 当PN结加反向电压时，少数载流子难以注入，LED故不发光。而当PN结加正向电压时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，这个复合过程会释放出能量，即以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。 而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 决定的。LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前广泛使用的单色LED有红、绿、蓝三种。由于LED工作电压低(仅1.5-3V)，能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压(或电流)调节， [1]本身又耐冲击、抗振动、寿命长(10万小时)，所以，LED是理想的光源。 大功率LED又是LED的一种，相对于小功率LED来说，大功率LED单颗功率更高， [2]亮度更亮，价格更高。小功率LED额定电流都是20mA，额定电流高过20mA的基本上都可以算作大功率。一般功率数有:0.25w、0.5w、1w、3w、5w、8w、10w等等。 对于一般照明应用而言，人们更需要的是白色的光源。在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成。第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光。1998年白光的LED开发成功。这种白光LED就是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(λp=465nm，Wd=30nm)，高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝 [3]光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。第二种是多种单色光混合方法:白光是一种多颜色的混合光，可被人眼感觉的白光至少包括两种以上波长的光。例如人眼同时受红、蓝、绿光的刺激 时，或同 1 时受到蓝光与黄光的刺激时都可以感受为白色光。依照这种原理人们可以 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 产生白光的LED光源。按照现有的技术能力，有两种可行的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。第一种，使用红绿蓝的三色LED，按照所属光的强弱排成矩阵，三种色光混合后产生白色的光。但是，LED是PN结，它像所有PN结一样，遵守PN结的负温度特性的 特征规律。在LED器件上表现为它的正向电流随温度的升高而下降，它的光输出亦会随温度的升高而下降，不同的LED下降程度 [4]差别很大。采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光。这两种方法都已能成功产生白光器件。 1.2 白光LED的特点和性能 白光LED作为一种新的光源，其具有以下的特点及性能: (1) 效率高 按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高(一般10,30 Lm/w)，目前己知光效最高的白色LED光效可以达到130Lm/W，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段， [5]效率可以达到80,,90,，而光效差不多的白炽灯其可见光效率仅为10,,20,。 (2) 光线质量好 [6]人眼直接观察光源时所看到的颜色,称为光源的色表(CRI). CRI越高越好。色温越低,光源越“暖”。白炽灯色温2800K,卤素灯3200K,荧光灯2700K-6000K; 高强度放电汽车头灯3900K-4200K;日光5000K-5500K.冷白光LED6500K,暖白光LED3300K,RGB封装的1000K-10000K。参见下表1-1: 光源 显色性指数 日光灯 52-95 白炽灯 95~100 汞灯 15-55 金卤灯 65-80 低压钠灯 0(monochromatic light) 高压钠灯 22-75 LED(发光二级管) 0(mono-color LED)-80(high flux LED) 表1-1 各种灯具的关系质量 (3) 光色纯 与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED 光谱狭窄，发出的光线很纯。LED 的峰值波长一定，故其发光颜色一定，目前能制出红、橙、琥珀、黄、绿、蓝、紫、白等几种颜 2 [7]色的LED，经过适当的混合即可实现全光谱色。 (4) 稳定性高 [8]采用环氧树脂固体封装，管芯的工作不受外界环境的影响。 (5) 能耗小 LED 在发光过程中，只有很少一部分的电能变为热能，大部分都变为了光能， 因 [9]此能耗小。LED 无紫外和红外辐射,仅有热量损耗。参见下表1-2: 光源 辐射损耗(%) 热量损耗(%) 白炽灯 81-86 5-6 日光灯 30-32 44 汞灯 62-65 16-22 金卤灯 57-74 7-20 钠灯 47-63 10-23 LED(发光二级管) 0-0.2 80-88 表1-2 不同照明设备的损耗 (6) 寿命长 光通量衰减到70,的标称寿命为10万小时。普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯 [10]寿命约为10000h，而LED的寿命可达到10万小时，可见其寿命长得多。 (7) 可靠耐用 没有钨丝、玻壳等等容易损坏的部件,非正常报废的可能性很小，维护费用极为低[11]廉。 (8) 应用灵活 体积小，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，做成点、线、面各种形式的具体应 [12]用产品。 (9) 响应快 LED发光的响应速度快，它的响应时间为纳秒级，而荧光灯和日光灯等一般都为毫 [13]秒级。 (10) 绿色环保 白炽灯在工作过程中，会发出过多的热量，影响环境温度;荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃的灯管都会对人身健康和环境造成一定的危害。而LED则没有这些问题，是一种无污染的符合绿色照明要求的光源。 总之， [14]LED固态照明有着显著的优势。 参见表1-3: 3 光效显色指数平均 开启 成本 光源总类 色温(k) (lm/W) (Ra) 寿命(kh) 时间(s) ($/klm) 白炽灯 15 100 2800 1 instant 0.6 卤钨灯 25 100 3000 2--5 <0.4 1 荧光灯 70 70 全系列 10 1 0.73 三基色 93 80-98 全系列 12 荧光灯 高压汞灯 50 45 3300-4300 6 高压钠灯 100-120 23/60/85 1950/2200/2500 24 1W-3W LED 38-120 85 全系列 10-100 instant 55 表1-3 LED与其他照明方式性能相比较 总之，LED具有效率高、光线质量好、光色纯、稳定性高、能耗小、寿命长、可靠耐用、应用灵活、响应快、绿色环保等优点，其作为更理想的照明光源，必将取代现有的照明光源。 1.3 白光LED照明新光源的应用前景 普通的白炽灯和卤钨灯，其光效为12,24流明/瓦;荧光灯和HID灯的光效为50,120流明/瓦。对白光LED:在1998年，白光LED的光效只有5流明/瓦，到了1999年已达到15流明/瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年时，白光LED的光效已达25流明/瓦，这一指标与卤钨灯相近。2005年时，LED的光效可达50流明/瓦，目前的白光LED的发光效率约为80流明/瓦，较传统高压钠灯可以节电50%,60%。随着LED效率的快速提升，半导体路灯在节能方面显示出了巨大的潜力。到2015年时，LED的光效可望达到150,200流明/瓦。那时的白光LED的工作电流就可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明 [15]光源，将成可能的现实。 普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低(灯的热效应白白耗电)，寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长(连续工作时间100000小时以上)，几乎无需维护。我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。 LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点，虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为是它将不可避免地现有照明器件。 4 总之，LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。LED以其小巧高效、坚固省电、使用寿命长、易于和计算机匹配等强大优势，在包括大屏幕显示、汽车尾灯、交通信号灯、LCD背光源等方面已大量使用，目前正朝着替代传统灯具向照明领域发展。固态照明光源:由多个超高亮度的红、蓝、绿色LED 制成的照明光源，不仅可以发出波长连续可调的各种色光，而且还可发出亮度高达上百坎德拉的白色光，成为照明光源。与传 统光源相比，固态光源具有发热量低、功耗小、寿命长、反应速度快、体积小、可平面封装、易开发轻薄短小产品等许多优点。 美国DOE(能源部)最近完成了针对SSL(固态照明)光源的新的能源之星规范，这样系统设计者可以对光源和装置用相同的比较数字。新规范不是着眼于HB LED 在元件级上的发 [16]光效率，而是整体的光源效率。 目前，白光LED 仍处在初期发展阶段。但由于它的独特优点，这种固态照明光源已广泛用于手电照明、LCD 背光照明(汽车音响、仪表板、手机背光板)、交通 信号及指示板、室内照明、船舰、飞机、汽车内照明等，也用于诸如矿山、潜水、抢险军用装置的照明等特殊场合。一旦白光LED 光源的性能价格比可与白炽灯和 荧光灯相吻合时，其在民用照明方面的竞争力将无可估量。 1.4 LED 的控制拓扑讨论 最简单的LED 驱动电路就是串联一个合适的电阻，如图1-1。但是，由于在这种结构中，流过LED 的电流会随着电源电压Us、电阻Ri 的阻值、以及LED 自身温度等因素的变化而改变，故而这种结构是很不理想的恒流控制。并且，由于电阻元件的使用， [17]其效率也不高。 图 1-1 电阻串联LED 供电电路 为了避免串联电阻上的高损耗,功率LED 通常通过开关模式驱动，今天这种转换器可以被用来作各种各样的应用。然而,通常设计的DC-DC 转换器是用来稳定输出电压的，而LED 要求一个稳定的输出电流。通过加一个采样电阻Rs 与LED 串联, 电流可以通过流过采样电阻Rs 上的电压测量到，从而标准的开关电源的电路拓扑结构和控制方案可 5 以被应用于LED 恒流控制。和标准的DC-DC 转换器相比, 测量到的电压必须非常小以避免额外损耗。因此,控制IC 和采样电阻都必须连接到地。即通常的电路拓扑结构如图1-2、图1-3、图1-4 所示: 图 1-2 降压转换器 图 1-3 升压转换器 图 1-4 升压、降压转换器 6 只有在升压转换器中，开关晶体管也被连接到地了。对于降压和升压-降压转换器，N 沟道FET 的栅源端是悬空的,需要专门的电平移位驱动器。同样,也可以用P 沟道的FET,但是它仅适合低的电源电压。 同样，LED 也可以通过隔离转化器(galvanic isolated converter)如前馈(forward),反激(flyback),推挽(push pull) 转换器等来驱动。在这种情况下，比较参考电压Uref 和采样电压Rs*Io。同时，误差放大器必须放在第二级, PWM 控制器放在第一级。 控制部分都是通过一个光耦合器(opto coupler)连接。从图1-5 的电路图上看，这种控制方式需要更高的电路设计要求。这个解决方案的另外一个问题就是大多数低成本的误差放大器包含一个内部的2.5V 参考电压(如 TL431)，然而它不符合LED 采样电阻上的低压降。原因在于为了尽可能的提高整个系统的效率，一般Rs的阻值需要取得最小。 图 1-5 谐振式LED 驱动电路 迄今为止的LED 驱动器,都源于标准的DC/DC 转换器.然而将来的LED 照明源将会被大数量生产，因此鉴于LED 的特征和某些应用要求可以对它们的驱动器进行最优化设计: 大规模生产的LED 驱动器需要考虑成本因素，因此，器件数目必须要减少。 LED 的发光强度直接跟流过其的电流成正比。因此，通过有规律的脉冲电流忽略其所带来的通常很小的颜色偏移来驱动LED 的方法是可行的。 LED 另外一个重要的特性就是它们的长寿命。因此, 电子LED 驱动器也必须设计成长寿命。必须考虑电路中所用到的各个器件的使用寿命。尽量避免使用稳定性不好的器件。 如果去掉输出端的滤波电容，则LED 上的电流成为了有规律的脉冲。根据LED 驱动器的不同拓扑结构和控制方案，流过LED 的电流会是类似方波、三角波或者是正弦波。 7 图 1-6 无滤波电容的LED 电路及其电流波形 如图1-6 所示:在LED 输出端没有滤波电容，那么流过LED 的电流将不再是一个纯正的直流,而是包含一个有规律的电流/脉冲成分。 基本的降压转换器产生的LED 电流是由一个直流和一个三角波组成的，它使得一个精确的电流控制更难。然而，如果降压转换器工作在临界传导模式，一个简单的峰值-零电流控制方案可以被采用。这种概念如图 1-7 所示: 图 1-7 峰值-零电流控制模式 反激(flyback) 转换器:功率小于100W 的反激(flyback)转换器拓扑结构应用广泛，因此也包含LED 照明所用的方案。在flyback 转换器第二级边上的存储电容可以 [18]被去掉从而LED 直接由第二级线圈(winding)来驱动。 8 图 1-8 隔离反激式LED 驱动电路 电流模式控制工作在一个恒定的开关频率fs, N 沟道FET 一直保持在开状态 (ON-sate)直到第一级电流I1(t)超过一个可以调整的参考电流值: Uref I,I,I,prefmaxRs 作为结果,一个恒定功率提供给第二级上,然后到LED 串: 12PILfUI ,，，，,，0ps002 通过这个电路LED 串被一锯齿波型电流Io(t)驱动,如图1-8 所示。在一个确定的工作范围内,LED 上的平均电流不受输入电压Uin 的影响,但是随着负载电压Uo(如:随 I,P/U着串联的LED 的数目)的变化而变化。这个拓扑结构要求器件数目最小,它提000 供电流隔离,通过调整变压器的线圈匝数比,其允许任何DC 电源电压和任意数目LED 的组合。 然而,它也有一些缺点: -输出平均电流值取决于串联的LED 数目。 -变压器的漏感应系数Ls 要求一个缓冲/阻止(snubber)电路，造成额外损耗(如:在Uz) -LED 链上的电流波形可能会引起电磁干扰(EMI)问题。 谐振式LED 驱动器:近年来，谐振式转换器拓扑结构是各种各样的功率电子研究活动的主题，旨在有高功率密度，低开关损耗和低电磁干扰贡献。因此，这些拓扑结构也是LED应用所关心的。截至目前，只有很少关于谐振式LED 驱动器的发表论文。因此，谐振式LED 驱动器概念的研究将会有更多详细的论述[19]。图 1-9 是一谐振式LED 驱动器，它非常适合LED 驱动，因为它实现了无电流检测的电压到电流的转换。 9 图 1-9 谐振式LED 驱动器 本文结合也已成熟的LED驱动芯片，提出了一种适用于低电压，大功率的白光LED 驱动电路。 1.5 LED 驱动芯片的现状与发展 目前的LED光源是低电压(VF=2?3.6V)、大电流(IF=200?1500mA)工作的半导体器件，必须提供合适的直流电流才能正常发光。直流(DC)驱动DC LED光源发光的技术已经越来越成熟，由于我们日常照明使用的电源是高压交流电(AC100-220V)，所以必须使用降压的技术来获得较低的电压，常用的是变压器或开关电源降压，然后将交流电(AC)变换成直流电(DC)，再变换成直流恒流源才能促使LED光源发光。 因此直流驱动LED光源的系统应用方案必然是:变压器+整流或开关电源+恒流源(图1)。LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个电源模块，但是对于E27标准螺口的灯具来说空间十分有限，很难安置。无论是经由变压器+整流或是开关电源降压，系统都会有一定量的损耗，DC LED灯具在交流、直流电之间转换时约15,30%的电力被损耗，系统效率很难做到90%以上。如果能用交流电(AC)直接驱动LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率将很轻松地达到90%以上。 图1-10 直流驱动LED光源的系统应用方案 由此看来LED驱动IC在LED灯具中是至关重要的器件。目前国内照明LED 驱动 IC开发、生产厂家已有十多家。LED驱动IC的特性要求是电流输出的一致性与恒定性。目前国内照明LED 驱动 IC产品技术都还是采用传统的DC/DC降压、升压恒流的模式，和 10 由PWM控制器组成的恒流源电路，目前这二类LED驱动IC技术尚处在产品发展的初级阶段，特别是限于低压的晶圆片的生产工艺，影响日益需求量大的较高电压应用。随着照明应用领域的扩展LED驱动IC正在向中高级和高度集成、多芯片封装(CMC)技术方向发展。 LED光源应用的基本技术要素是必须满足它的VF(正向电压)和IF(正向电流)需求，VF是为LED光源建立一个正常的工作状态，IF是促使LED光源发光，其亮度与电流大小成正比;顺应照明LED驱动IC技术的发展，LED驱动IC的输入电压(Vin)范围将更宽广(DC5C-45V)，输出恒流精度更高(1%);鉴于越来越多的LED灯具选用多颗大功率LED串联应用技术，要求新一代LED驱动IC输出耐压提高到60V-100V，这就需要用高压工艺来生产LED驱动IC的晶圆片;LED驱动IC输出耐压提高为它在汽车电子、汽车灯具、高光照明等高电压要求的市场打开新的市场门路。 对新一代LED驱动IC的设计必须打破传统的DC/DC拓扑结构设计理念，如采用恒功率、不采用磁滞控制的降压型而采用定频定电流控制、解决使用卤素灯电子变压器所产生的灯源闪烁和多灯并联不亮问题等等;还必须解决LED驱动IC在多种应用电路中能过EMC、安规、CE、UL等认证;应用电路力求简洁、使用元器件少也是客户降低成本所梦寐以求，和市场竞争所必须的;隔离与非隔离的应用历来是商家在安全与效率之争焦点;提高PWM控制器的占空比等等。0.5W-3W的LED光源与LED 驱动 IC集成在一个CMC封装内的新一代芯片已经小批量生产，显示LED 驱动 IC正在向高度集成化的多芯片CMC封装方向发展;可用交流电(AC)直接驱动发光的新一代、特殊拓扑结构AC LED光源生产技术的日趋成熟，将开创LED照明技术的又一新纪元。 1.6 大功率LED恒流驱动 LED有着和传统光源不一样的电源驱动要求。先来看看一个各种LED工作的特种曲线。如图一所示，LED在加上电压以后，当电压越过一临界值后，就开始流出电流，发出光，LED开始工作。不同颜色的LED，其临界电压不一样，这就是我们前面所提到的禁带宽度相一致的。比如，红光的波长较长，能量低，其对应的LED临界电压也比较低，蓝光的波长较短，能量高，其领结电压也高。这一电压，就是LED一个及其重要的参数，正向电压:VF，forward voltage。我们还注意到，这些电压都比较低，只有几伏，如红外光的1.1V左右，最高的蓝光也只不到3V，即使到比较大的电流如30-40mA,其电压值也只在3.5V左右。这个电压和我们的日常使用电压是要一定距离的，因此要对电源电压进行变换才能满足LED驱动要求。另外一个重要的现象是:一旦电 11 压超过VF之后，电流就变化比较快，而且不是线性关系，即电流增加和电压增加不成比例。 图1-11同一批次LED的正向电压和电流的关系曲线 由图1-11可以看出，即使在同一批次其正向电压会200-300mV.虽然，200-300mV只相当于10%的电压变动，但却会使流经LED的电流相差一倍以上。而我们知道，LED发光强度是由其PN结两边电子和空穴的复合数量，即流过PN结的电流决定的。这就意味着，即使在相同的电压条件下，同一批次的LED，其表现的亮度会差上一倍，这会严重影响我们的视觉。因此说LED是电流驱动器件，要想保证LED一定的亮度，最直接最简便的方法就是输入给LED一定的电流，而不是控制加在LED两端的电压。 LED不采用恒流电流驱动，不仅照明度将不稳定，还会影响其波长，缩短其寿命。图三显示了蓝光LED的正向电流和发射波长间的关系。从图中可以看出，随着电流的增大，LED发光的中心波长将会向短波长方向移动。当电流从0增大到500mA时，其波长偏移将近10nM,这会带来明显的色彩飘移。更为严重的是，如果LED在超过最大额定值长期运行时，有可能被损坏。图1-12是Philips公司的实验结果，显示了LED早衰，具体表现为亮度下降，平均期望寿命降低.如图所示，在同样的结温下，电流越大，其期望寿命越短:在140度的结温下，1.5A时(B50,L70)为17000小时，1A时为36000小时，700mA和350mA时，都会超过60000h。 12 图1-12 LED寿命，驱动电流，结温和平均寿命(B50，L70) 恒流源作为一种能向负载提供恒定电流的电源装置，它在外界电网电源产生波动和阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定。恒流源电路具有输出电流恒定、温度稳定性好、直流电阻很小但等效交流输出电阻却很大等特点。恒流范围大致为1µA,20A。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大倍数。因此，作为电流型器件的LED,恒流驱动是非常重要的，不仅能保证一定的亮度，还能延长其使用时间。 13 第二章 电路介绍和工作原理 2.1 芯片特性 本文提出一种恒流、高效率的LED驱动电路。使用PT4114芯片驱动，其效率可以达到97%。PT4115 输入电压范围从6 伏到30 伏，输出电流可调，最大可达1.2 安。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0.3伏时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。其芯片具有以下特点: (1) 极少的外部元器件 (2) 很宽的输入电压范围:从6V到30V (3) 最大输出1.2A的电流 (4) 复用DIM引脚进行LED 开关、模拟调光和PWM 调光 (5) 5%的输出电流精度 (6) LED开路自然保护 (7) 高达97%的效率 (8) 输出可调的恒流控制方法 (9) 增强散热能力的ESOP8封装可用于大功率驱动 2.2 典型应用 通过查找资料，发现PT4115的生产商，华润矽威科技的官方资料中已经给出了PT4115驱动芯片的典型应用电路，其电路如下图所示: 14 图 2-1 LED 驱动芯片及其外围电路的示意图 通过图2-1可以看出，PT4115用在3W的白光LED光源驱动方案时只需要四个外围元件就可以了，其中Cin 是输入滤波电容，Rs 设定流过LED 的电流IF，Rs=0.1/ILED;L 是续流电感，D5是续流二极管。虽然零件少了但是相应的对零件的要求提高了，设计时要按下表提供的元件参数进行选用，才能使电路进入良好的工作状态。由于PT4115的开关频率采用的是抖频技术，从而有效的降低EMI，所在在应用电路中省略了抗EMI电路。 表2-1 PT4115外围零件要求 15 2.3 系统模块及工作原理 图 2-2 系统模块示意图 由图2-2可以看出，PT4115是由DIM缓冲区、调节器、CS比较器、UVLO比较器及栅极驱动器等部份组成。基具体的工作原理为: PT4115和电感(L)、电流采样电阻(RS)形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压恒流LED控制器。VIN上电时，电感(L)和电流采样电阻(RS)的初始电流为零，LED输出电流也为零。这时候，CS比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低。电流通过电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和内部功率开关从VIN流到，电流上升的斜率由VIN、电感(L)和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN， 当(VIN-VCSN) >115mV时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和肖特二极管(D)，当(VIN-VCSN)<85mV时，功率开关重新打开，这样使得在LED上的电流为: 0.085，0.115I,,0.1/Rs out2，Rs 高端电流采样结构使得外部元器件数量很少，采用1%精度的采样电阻，LED 输出电流控制在?5%的精度。PT4115 可以在DIM 管脚加PWM 信号进行调光，DIM 管脚电压低于0.3V 关断LED 电流，高于2.5V 全部打开LED电流，PWM 调光的频率范围从100Hz 到20KHz 以上。当高电平在0.5V 到2.5V 之间，也可以调光。 DIM 管脚也可以通过外加直流电压(VDIM) 调小LED 电流(模拟调光)，最大LED 电 16 流由采样电阻RS 决定。直流电压(VDIM) 的有效的调光范围是0.5V 到2.5V。当直流电压(VDIM)高于2.5V，输出LED 电流保持恒定，并由(0.1/RS)设定。LED 电流还可以通过DIM到电源之间接一个电阻进行调节，内部有一个上拉电阻(200K 欧姆)接在内部稳压电压5V 上，DIM 管脚的电压由内部和外部的电阻分压决定。 DIM管脚在正常工作时可以浮空。当加在DIM上的电压低于0.3V时，内部功率开关关断，LED电流也降为零。关断期间，内部稳压电路保持待机工作，静态电流仅为95uA。此外，为了保证可靠性，PT4115内部包含过热保护功能(TSD)，封装含有散热PAD。过热保护功能在芯片过热(160?)时保护芯片和系统，外部的散热PAD增强了芯片功耗，于是，PT4115能够安全?输出较大电流。PT4115还可以通过DIM管脚外接热敏电阻(NTC)到LED 附近，检测温度动态调节LED电流保护LED。 17 第三章 白光LED驱动电路的设计 3.1 电源电路的设计 对于电源部份，考虑到通用性，电源接口采用DC5MM母头电源插座。由此将电源引入，并在其中一路接入带自锁微型开关。而后连接一个整流堆，并在整流堆的输出端并连一个50V100F的电解电容用于整流。这样就既可以使用直流电源又可以使用交流, 电源输入，扩展了电路板的使用范围。电路图如下图所示: 图3-1 电源电路设计图 3.2 PWM控制电路的设计 经查找书籍及在网络的查找，决定使用NE555芯片做为PWM产生电路，因为NE555芯片的使用非常普遍，价格低，且其产生PWM波的电路非常简单。该部份电路图见图3-2。 18 图3-2 NE555芯片产生PWM方波电路设计图 在NE555PWM电路图中，当加上+12V电压时，振荡器便起振。刚通电时，由于电容C2上的电压不能突变，即2脚电位的起始电平为地电平，使555置位，3脚呈高电平。电容C2通过R1、RA对其充电，充电时间为: T,0.693，(R1，RA)，C 充 当C2上电压充到阈值电平2/3Vdd时，555复位，3脚呈低电平，此时C2对过D1、RB，555内部的放电管放电，放电时间为: T,0.693，(R2，RB)，C 放 设占空比为D，则: TRA充D,, TRA，RB 故只要通过调整可调电阻RV，改变RA的阻值，就可以改变3脚输出的高低电平的时间，即产成占空比可调的PWM方波。 3.3 PWM控制电路零件选型 白光LED驱动PT4115的PWM控制推荐频率为100Hz以上，为防止出现闪烁现象，设计PWM频率为200Hz。根据555PWM频率的工式: 19 1.443F, (R1，RA，RB，R2)，C 电容C2选择1F瓷片电容，通过计算得出总电阻的大小为: , 1.443200, ,6R，1，10 R=7215欧 在选择电阻时为方便购买，故将R1，R2定为1千欧，RV定为5千欧可调电阻，再通过计算得出实际频率为: 1.443F, (R1，RA，RB，R2)，C 1.443F, 3,67，10，1，10 F=206.1Hz 计算得出的频率满足设计频率。再根据R1，R2，RV的大小，计算出占空比可调范围为: TRA充D,, TRA，RB 1 D,,14.3%17 6 D,,85.7%27 即PWM方波占空比为14.3%~85.7%可调。此外电路中二级管选用电流为2MA的1N4148二级管，555芯片第5脚选用50V10F电解电容接地。 , 3.4 LED驱动电路的设计 通过查看驱动芯片PT4115的官方资料，查找到PT4115的典型应用电路，其应用电路十简洁，如下图所示: 20 图3-3 PT4115典型应用电路 在该电路中驱动芯片PT4115和电感(L)、电流采样电阻(RS)形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压恒流LED控制器。VIN上电时，电感(L)和电流采样电阻(RS)的初始电流为零，LED输出电流也为零。这时候，CS比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低。电流通过电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和内部功率开关从VIN流到?，电流上升的斜率由VIN、电感(L)和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN， 当(VIN-VCSN) >115mV时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和肖特基二极管(D)，当(VIN-VCSN) < 85mV时，功率开关重新打开。 3.5 LED驱动电路零件选型 在本设计中，PT4115驱动的是三个1W的大功率白光LED，三个1W的LED光源串联，其工作电流可设计为300-350mA，L的电感量应选用68uH-100uH，Q 值大于50，和电流大于800mA 的磁路闭合电感器。 PT4115 的设计最佳工作频率在1MHz 以下，电感量大了小会影响其工作频率，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。另外由于高频率会带来较大的开关损耗，使芯片运行在较高的结温下，电应力加大，不利于稳定工作。电感量太小还会导致PT4115的SW 端烧坏，而无输出。 电感的DCR 越小，效率越高。电感器的饱和电流选小了，D5 肖特基二极管的电流选小了，将会导致整个电路的续流不足，LED 光源会产生人眼可见的闪光。将电感器的饱和电流和肖特基二极管的电流适当增大即可增大整个电路的续流电流，消除因此 21 产生的闪光。 驱动电路中各个零件的选型如下: 1、旁路电容 在电源输入必须就近接一个低等效串联电阻(ESR)的旁路电容，ESR越大，效率损失会变大。该旁路电容要能承受较大的峰值电流，并能使电源的输入电流平稳，减小对输入电源的冲击。直流输入时，该旁路电容的最小值为4.7F，在交流输入或低电压, 输入，旁路电容需要100F的钽电容或类似电容。因此选择50V100F的电解电容。 ,, 2、电感 PT4115推荐使用的电感参数范围为27uH ~ 100uH。电感的饱和电流必须要比输出电流高30%到50%。LED输出电流越小，建议采用的电感值越大。在电流能力满足要求的前提下，希望电感取得大一些，这样恒流的效果会更好一些。电感器在布板时请尽量靠近VIN和SW，以避免寄生电阻所造成的效率损失。电感选择建议如下表所示: 表3-1 电感选择建议 -1，选择电感本设计方案中使用的1W白光LED的工作电流为350MA，根据表3值为100uH的电感。 3、二级管 为了保证最大的效率以及性能，二极管(D)应选择快速恢复、低正向压降、低寄生电容、低漏电的肖特基二极管，电流能力以及耐压视具体的应用而定，但应保持30%的余量，有助于稳定可靠的工作。 另外值得注意的一点是应考虑温度高于85?C时肖特基的反向漏电流。过高的漏电会导致增加系统的功率耗散。AC12V整流二极管(D)一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功率耗散。 通过查找二级管相差手册，结合实际情况，选用型号为SS14的消特基二极管。 3.6 LED完整驱动电路 以上已经完成了对电源电路部份，调光控制部份及LED驱动份的设计，最后将三 22 部份的电路进行整合，得到完整的LED驱动电路，如下图所示: 图3-4 白光LED驱动电路 在电路中，电流采样电阻RV2选用1欧精密可调电阻，在实际使用中，根据测得的实际电流进行调节。 至此，大功率白光LED驱动完成整体电路设计及元件选型。 23 第四章 白光LED驱动电路模拟与仿真 4.1 PWM调光电路的仿真 在PROTUES软件中，首先将555PWM方波电路绘制出，并将555输出脚3脚接至示波器，用以观察方波波形，其电路图如下所示: 图4-1 555PWM方波电路 在图4-1中，此时可调电阻RV1处于中间状态，即两边都为2.5千欧，这样产生的PWM方波应该为50%占空比的方波，实际仿真结果如下图所示: 24 图4-2 占空比为50%的PWM波形 为验证此电路的PWM方波的占空可调，首先将可调电阻RV调到最上端，即RA为0欧，RB为5千欧，此时可以看到PWM方波的波形产生了相应的变化，其波形图如下图所示: 图4-3 占空比为最小时的PWM波形 然后再将可调电阻RV调至最下端，即RA为5千欧，RB为0欧，此时波形正好与图4-3相反，其波形如下图所示: 25 图4-4 占空比为最大时的PWM波形 通过以上对555PWM方波电路的模拟与仿真，可以看到此电路能正常工作，并且其产生的PWM方波是可以调节的，从而验证此电路的设计方案是可行的。 4.2 LED驱动电路的仿真 原本拟打算在对555PWM方波电路进行模拟仿真后，对整体电路也进行仿真，以防在实际使用时电路出现问题，但应为在PROTEUS中未能找PT4115芯片，在网络上也未能找到PROTEUS软件使用的PT4115元件。原打算在PROTEUS中自行制作PT4115芯片，但因为对PT4115内部工作电路不熟悉，且没有找到PT4115内部的具体电路，所以没能制作出与PT4115性能相同的元件，故无法在PROTEUS软件进行LED驱动的完整电路的模拟仿真。 虽然没能进行PT4115驱动部份电路的仿真，但是PT4115的外围电路比较简单，并且通过反复查看PT4115的官方资料，以及在网络上查找PT4115的应用电路，可以确定在本设计中使用的PT4115驱动电路应该是不会存在什么问题的，具体使用效果，待制作出LED驱动电路板后再进行验证。 26 第五章 白光LED驱动电路实物分析 5.1 白光LED驱动电路板 根据之前设计的LED驱动电路及各个芯片及外围零件的选型，到电子原件市场购买相应元件进行电子原件及万用板，再对各个零件进行焊接，最终做出LED驱动电路板如下图所示: 图5-1 白光LED驱动电路板 为方便制作，在实际中使用了万用板进行焊接，电源输入部份，除了之前电路设计时选用的DC5MM母头电源插座，还另加了一组接线端子，使电源输入的形式多了一种方式，以便使用。同时在555芯片3脚与PT4115芯片DIM脚之间使用了2组排针进行断开，用以在电路调试时使用。在焊接PT4115芯片时，因为其为贴片元件，所以用细线焊接在其5个脚上，再引入万用板的下端，以进行电路的焊接。3个大功率LED也作相同的处理。 5.2 白光LED驱动电路板分析 在电路板制作出后，即对电路板进行上电测试，在通电前首先将555芯片的3脚与PT4115芯片DIM脚之间的跳线断开，进行电压测量。测量各芯片电压正常后，将跳线接上，此时电路开始工作，其工作效果如下图所示: 图5-2 白光LED驱动电路工作情况 驱动电路工作正常后，进行调实验，调整可调电阻RV1后，可以看到白光LED的亮度平缓变化。至此，本设计所制作的大功率白光LED驱动电路可正常工作。 通过实物电路板(图5-1)可以看到整个电路板非常大，并不具有实用性，但同时PT4115芯片及555芯片都非常小，所以可以将大部份外围换成贴片元件，并重新设计过PCB板，这样就可以将电路板做得很小，以达到实用效果。 27 28 附录 参考文献 [1] 廖光朝.戴世望.陈迎 工程应用中如何确保LED的使用可靠性[M]-电子测试 2007.08:37—38 [2] 王永刚 浅析LED在照明领域需要解决的问题[M]-黑龙江科技信息 2002:43—44 [3] 沈慧 大功率照明LED恒流驱动芯片的设计[D]-浙江大学信电系 2006.05 [4] 平立 白光LED驱动综述[M]-现代显示 2006(6):44—8 [5] 张阿林 高功率LED恒流源串联驱动器[M]-电源技术应用 2007.8:35—37 [6] 周志敏.纪爱华 白光LED驱动电路设计与应用实例[M]-人民邮电出版社 2009.08:118-119 [7] 陈元灯 LED制造技术与应用[M]-电子工业出版社 2007.07:34-35 [8] 杨恒 LED照明驱动电路设计与实例精选[M]-中国电力出版社 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