基于HV9910B的LED降壓驅(qū)動電路設(shè)計研究

黃劍平　沈漢鑫

摘 要： LED照明需要穩(wěn)定、可靠的恒流驅(qū)動電路。應(yīng)用LED驅(qū)動芯片HV9910B設(shè)計了大功率高亮度LED驅(qū)動電路。提出了基于該芯片的設(shè)計方案，采用DC/DC降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以輸出恒定電流的方式驅(qū)動LED。重點(diǎn)解析了整個電路的詳細(xì)設(shè)計過程。該電路的輸入電壓為12 V，可驅(qū)動2個1 W的大功率LED發(fā)光，驅(qū)動電流達(dá)350 mA，并具有PWM調(diào)光功能。對該設(shè)計的測試結(jié)果表明，電路的效率可達(dá)89.2%，優(yōu)于大部分同類電路，且電路的PWM調(diào)光線性度良好，性能穩(wěn)定可靠。該電路所需的外圍元器件少，電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方便，廣泛適用于通用的LED照明場合。

關(guān)鍵詞： 恒流驅(qū)動電路； 降壓驅(qū)動； LED照明； HVPP10B

中圖分類號： TN602?34； TM923.02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0139?04

Design of LED buck driver circuit base on HV9910

HUANG Jian?ping， SHEN Han?xin

（School of Photoelectronic and Communication Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China）

Abstract： A stable and reliable constant current driving circuit is needed in LED illumination. A high power and high brightness LED drive circuit with HV9910B chip was designed. A design scheme based on this chip is proposed， in which DC/DC buck topology structure is adopted and constant current driving mode is used for LED. The detailed design process of the circuit is described. The input voltage of the circuit is 12 V. The circuit with PWM dimming function can drive two 1 W LEDs connected in series and its driving current is 350 mA. The test result shows that the circuit has the efficiency of 89.2% which is better than other similar circuits， and its PWM dimming linearity is good and performance is stable. Few peripheral components are needed in this circuit. The circuit is simple and easy to design. The circuit is suitable for LED illumination in general occasion.

Keywords： constant current driving circuit； buck drive； LED illumination； HVPP10B

0 引 言

與傳統(tǒng)的照明光源相比，LED光源具有高效率、低功耗、顏色純、低電壓驅(qū)動、使用壽命長、安全環(huán)保、體積小等優(yōu)點(diǎn)[1]，而一個可靠、穩(wěn)定、高效率的驅(qū)動電路是LED發(fā)揮這些優(yōu)勢的關(guān)鍵和保障。

LED的輸出光流明數(shù)和波長同PN結(jié)的溫度和電流密切相關(guān)。對LED主要有恒壓驅(qū)動和恒流驅(qū)動2種方式。恒壓驅(qū)動電路主要采用固定電壓的電源串聯(lián)限流電阻和發(fā)光LED的方式[2?3]。這種方法的最大缺點(diǎn)是當(dāng)電阻溫度的升高時，阻值也會隨之改變，從而使LED的驅(qū)動電流不穩(wěn)定。目前，基本上采用恒流方式驅(qū)動，這樣可以使LED的亮度穩(wěn)定。而目前LED恒流驅(qū)動電路大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用的外圍元器件較多，實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計起來并不方便[4]。本文采用HV9910B專用驅(qū)動芯片設(shè)計LED驅(qū)動電源，電路驅(qū)動效率高，結(jié)構(gòu)簡單，所需的外圍元件少，性能穩(wěn)定可靠。

1 LED的物理特性

LED的核心是一個PN結(jié)，電流只能正向?qū)?。如圖1所示，當(dāng)對LED施加正向電壓時，N區(qū)的電子通過PN結(jié)注入P區(qū)，同樣P區(qū)的空穴也注入N區(qū)；進(jìn)入對方區(qū)域的部分載流子發(fā)生復(fù)合，能量以光子的形式釋放出來，使LED發(fā)光[5]。因此，流過的載流子越多，即電流越大，釋放出的光子數(shù)也越多。有[L=KI，]其中，[L]為LED的發(fā)光亮度，[I]為LED的正向工作電流，[K]為比例常數(shù)[6?7]。由此可見，要控制LED的亮度可以通過控制LED的驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)。

LED的正向驅(qū)動電壓和電流呈指數(shù)關(guān)系，電流模型為[I（Vf）=I0ekVf，]其中[I]為流過LED的電流，[Vf]為LED的正向電壓，[k]和[I0]為常數(shù)[8]，如圖2所示。從圖中看出，當(dāng)LED正向?qū)ê?，隨著電壓的微小增加，電流會急劇增大。由此可見，通過控制LED的電壓來控制LED的發(fā)光狀態(tài)并不合適，容易造成LED的亮度不穩(wěn)定。因此LED一般采用恒流方式來驅(qū)動。

2 HV9910B芯片介紹

HV9910B是美國Supertex公司生產(chǎn)的通用高亮度LED驅(qū)動集成芯片。該芯片的輸入電壓可達(dá)8～450 V，輸入電壓范圍大；采用恒流方式驅(qū)動外部LED串；芯片工作時的開關(guān)振蕩頻率可通過外接電阻設(shè)置；驅(qū)動的LED亮度可通過線性電壓或脈寬調(diào)制（PWM）方式進(jìn)行調(diào)節(jié)；工作時所需的外部元器件數(shù)量少。該芯片特別適用于通用的LED照明場合。HV9910B芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[9]。

其中，芯片內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器（Regulator）將輸入端VIN的電壓調(diào)節(jié)為恒定的7.5 V，為芯片內(nèi)部電路供電；CS端可外接電流檢測電阻，來設(shè)置LED的最大工作電流；GATE端可直接驅(qū)動外部MOS開關(guān)管；RT端外接電阻，用來設(shè)置芯片工作時的開關(guān)振蕩頻率；PWMD端用于輸入LED的PWM脈寬調(diào)光信號。

3 LED降壓驅(qū)動電路的設(shè)計

3.1 電路原理

設(shè)計驅(qū)動2個1 W的高亮度LED，輸入電壓約為12 V，輸出電壓約為7 V左右，輸出驅(qū)動電流為350 mA。

HV9910B降壓驅(qū)動電路如圖4所示。二極管D1、電感[L1]和MOS管Q1組成降壓驅(qū)動部分，驅(qū)動2個功率為1 W、串聯(lián)連接的高亮度LED；電路通過功率MOS管Q1的反復(fù)開關(guān)動作來控制LED的輸入電壓；電阻[R1]檢測流過LED的電流，將電流值轉(zhuǎn)為電壓值反饋給HV9910B芯片的CS端。該電壓值與芯片內(nèi)部的250 mV閾值電壓進(jìn)行比較，當(dāng)檢測的電壓值小于250 mV時，通過芯片的GATE引腳使外部MOS管導(dǎo)通；當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，二極管D1截止，電流經(jīng)LED、電感[L1、]MOS管Q1和檢測電阻[R1]流到GND端，這時電感[L1]儲存能量。當(dāng)檢測的電壓值大于250 mV時，芯片控制外部MOS管截止；此時，電感儲存的能量為LED提供續(xù)流電流，二極管D1導(dǎo)通，電流流過電感[L1、]二極管D1和LED，形成另一個電流回路。因此，通過電阻[R1]的反饋，可以很高效地控制LED的平均驅(qū)動電流，使外部LED的驅(qū)動電流穩(wěn)定在設(shè)置的電流值上。

與芯片RT端連接的電阻[R2]用于設(shè)置芯片工作時的開關(guān)頻率。圖4中，[R2]連接在RT與GATE端之間，使電路工作在恒定的關(guān)斷時間模式，這樣可以防止電路系統(tǒng)的不穩(wěn)定[10]。電容[C1，][C2]用于吸收電路產(chǎn)生的高頻紋波電流，減小電路中的噪聲干擾。

PWM調(diào)光信號從HV9910B芯片的PWMD端輸入。PWM信號由單片機(jī)ATmega88P產(chǎn)生，如圖5所示。輸入的12 V電壓經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片REG1117?3.3得到3.3 V的輸出電壓給單片機(jī)供電，單片機(jī)的PB1端口輸出PWM脈寬調(diào)制信號。由于HV9910B的供電電壓為12 V，為了實(shí)現(xiàn)電平匹配，PB1的輸出驅(qū)動一個NPN型三極管2N2222。當(dāng)PB1輸出為高電平時，三極管2N2222導(dǎo)通，向HV9910B的PWMD端輸出低電平信號；當(dāng)單片機(jī)的PB1輸出為低電平時，2N2222截止，由于有上拉電阻[R5，]PWMD端輸入高電平。這樣就通過單片機(jī)輸出PWM信號實(shí)現(xiàn)HV9910B芯片的調(diào)光功能。

3.2 電路元件參數(shù)選擇

HV9910B工作的開關(guān)頻率決定了電路中電感的大小，使用更高的頻率可以選擇更小的電感，但過高的頻率會增加電路中的開關(guān)損耗。由于電路設(shè)計為工作在恒定關(guān)斷模式，根據(jù)芯片資料建議，設(shè)定關(guān)斷時間恒定為5 μs，則定時電阻[R2]的計算公式為：

[R2=tOFF×25-22] （1）

計算得到[R2]應(yīng)為103 kΩ，選取與之接近的阻值100 kΩ。此時，電路的工作頻率為100 kHz左右。

電感的取值另一方面取決于流過LED的紋波電流的大小，一般假定LED允許的紋波電流是±15%，總共紋波的峰峰值為30%，根據(jù)電感的計算公式：

[L=Vo×tOFF0.3×Io] （2）

計算得到電感[L]應(yīng)為333 μH，選取最接近的標(biāo)準(zhǔn)電感值470 μH。

LED電流檢測電阻[R1]的計算公式為：

[R1=0.25IPK] （3）

其中，0.25表示芯片內(nèi)部的閾值比較電壓為250 mV；[IPK]為流過LED的峰值電流。在紋波電流為15%時，峰值電流為350 mA×（1+0.15）=402.5 mA，計算得到檢測電阻[R1]的阻值應(yīng)為0.25÷0.402 5=0.621 Ω，選取與之接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻0.620 Ω。

MOS管的峰值電壓等于電路輸入電壓12 V，采用50%的安全裕量，至少應(yīng)為12×1.5=18 V。最大電流為LED的最大驅(qū)動電流350 mA，實(shí)際設(shè)計中選擇MOS管額定電流為最大電流的3倍，以減小開關(guān)時的電阻損耗，為0.350 A×3=1.05 A。綜上考慮，選擇MOS管IRFL014，它的峰值電壓可承受60 V，最大電流可達(dá)到2.7 A，DS端導(dǎo)通電阻僅為0.2 Ω，導(dǎo)通損耗小。續(xù)流二極管D1承受的最大反向峰值電壓也為12 V，最大電流也是350 mA，選擇肖特基二極管MURS240T3，它的最大反向電壓為300 V，最大正向電流為2 A，符合設(shè)計要求。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量

對設(shè)計的電路進(jìn)行測量，當(dāng)LED驅(qū)動電流100%輸出時，測量得到輸入電壓為12 V，輸入電流為238 mA，LED兩端的電壓為6.55 V，流過LED的電流為389 mA。計算得到電路的效率為89.2%。

改變輸入電壓的大小，從8 V增加到20 V，測量流過LED的驅(qū)動電流，畫出如圖6所示曲線圖。從圖6可以看出，當(dāng)輸入電壓改變時，LED的驅(qū)動電流變化很小，該電路可以使LED驅(qū)動電流穩(wěn)定在設(shè)定值上。

用ATmega88P單片機(jī)產(chǎn)生280 Hz的PWM調(diào)光信號，輸入給HV9910芯片的第5腳PWMD端，實(shí)現(xiàn)LED的發(fā)光亮度的調(diào)節(jié)，得到PWM占空比與LED驅(qū)動電流的關(guān)系圖如圖7所示。從圖7中可以看出PWM信號的占空比與LED驅(qū)動電流基本呈線性關(guān)系變化，電路PWM調(diào)光的線性度良好。

用固緯公司的GDS?806C示波器觀察MOS管的D極與LED兩端電壓的波形，如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，D極電壓為低電平，LED兩端的電壓逐漸升高，當(dāng)升高至HV9910B內(nèi)部閾值電平時，MOS管截止，MOS管D極電壓變?yōu)楦唠娖剑籐ED的驅(qū)動電流由電感提供，LED兩端電壓下降，直至電壓低于閾值，MOS管再次導(dǎo)通。

用示波器觀察PWM調(diào)光信號波形與MOS管D極波形，如圖9所示。當(dāng)PWM波形為高電平時，MOS管正常工作，反復(fù)地導(dǎo)通和截止，此時LED正常發(fā)光；當(dāng)PWM波形為低電平時，MOS管始終截止，D極波形為高電平，此時LED沒有電流流過。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的大功率高亮度LED驅(qū)動電路，采用HV9910B芯片作為核心驅(qū)動元件，運(yùn)用降壓驅(qū)動方式，可以實(shí)現(xiàn)電路的恒流驅(qū)動、PWM亮度調(diào)節(jié)等功能。對該設(shè)計的測試結(jié)果表明該驅(qū)動電路效率高達(dá)89.2%，優(yōu)于大部分同類的LED驅(qū)動電路，調(diào)光線性度好，LED驅(qū)動電流不受輸入電壓變化的影響，始終穩(wěn)定在設(shè)定值；且電路工作所需的外圍元器件較少，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能穩(wěn)定。一些設(shè)計的參數(shù)經(jīng)過適當(dāng)修改就能很好地適用于其他各種LED照明場合，在實(shí)際的設(shè)計應(yīng)用中非常方便，具有很好的實(shí)用參考價值。

參考文獻(xiàn)

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[10] WINDER Steve.LED驅(qū)動電路設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2009.

用示波器觀察PWM調(diào)光信號波形與MOS管D極波形，如圖9所示。當(dāng)PWM波形為高電平時，MOS管正常工作，反復(fù)地導(dǎo)通和截止，此時LED正常發(fā)光；當(dāng)PWM波形為低電平時，MOS管始終截止，D極波形為高電平，此時LED沒有電流流過。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的大功率高亮度LED驅(qū)動電路，采用HV9910B芯片作為核心驅(qū)動元件，運(yùn)用降壓驅(qū)動方式，可以實(shí)現(xiàn)電路的恒流驅(qū)動、PWM亮度調(diào)節(jié)等功能。對該設(shè)計的測試結(jié)果表明該驅(qū)動電路效率高達(dá)89.2%，優(yōu)于大部分同類的LED驅(qū)動電路，調(diào)光線性度好，LED驅(qū)動電流不受輸入電壓變化的影響，始終穩(wěn)定在設(shè)定值；且電路工作所需的外圍元器件較少，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能穩(wěn)定。一些設(shè)計的參數(shù)經(jīng)過適當(dāng)修改就能很好地適用于其他各種LED照明場合，在實(shí)際的設(shè)計應(yīng)用中非常方便，具有很好的實(shí)用參考價值。

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用示波器觀察PWM調(diào)光信號波形與MOS管D極波形，如圖9所示。當(dāng)PWM波形為高電平時，MOS管正常工作，反復(fù)地導(dǎo)通和截止，此時LED正常發(fā)光；當(dāng)PWM波形為低電平時，MOS管始終截止，D極波形為高電平，此時LED沒有電流流過。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的大功率高亮度LED驅(qū)動電路，采用HV9910B芯片作為核心驅(qū)動元件，運(yùn)用降壓驅(qū)動方式，可以實(shí)現(xiàn)電路的恒流驅(qū)動、PWM亮度調(diào)節(jié)等功能。對該設(shè)計的測試結(jié)果表明該驅(qū)動電路效率高達(dá)89.2%，優(yōu)于大部分同類的LED驅(qū)動電路，調(diào)光線性度好，LED驅(qū)動電流不受輸入電壓變化的影響，始終穩(wěn)定在設(shè)定值；且電路工作所需的外圍元器件較少，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能穩(wěn)定。一些設(shè)計的參數(shù)經(jīng)過適當(dāng)修改就能很好地適用于其他各種LED照明場合，在實(shí)際的設(shè)計應(yīng)用中非常方便，具有很好的實(shí)用參考價值。

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