大功率白光LED恒流驅(qū)動電路系統(tǒng)設(shè)計

曹衛(wèi)鋒， 王玉琴， 胡智宏

(1.鄭州輕工業(yè)學院 電氣信息工程學院 河南 鄭州 450002；2.鄭州大學 教育技術(shù)中心 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著大功率白光LED光效不斷提高和成本顯著降低，LED燈具作為一種新型綠色照明產(chǎn)品，逐漸被公認為21世紀的新型照明光源.為此，很多科研人員和電子廠商都提出了各具特色的大功率LED驅(qū)動解決方案.傳統(tǒng)的大功率LED驅(qū)動電路一般不具備測量LED結(jié)溫的功能[1-3]，對LED的保護僅限于過流或過壓保護，很難真正起到保護LED的目的.并且傳統(tǒng)LED驅(qū)動電路的DC/DC變換部分大多采用電解電容進行濾波和儲能，而電解電容的壽命受環(huán)境溫度的影響比較大，這勢必影響到LED恒流源電路的使用壽命.

針對這些問題，本文根據(jù)大功率LED的固有特性，采用“低電流測壓法”間接測量LED的結(jié)溫，通過調(diào)整LED驅(qū)動電流來控制其結(jié)溫，防止LED結(jié)溫過高而損壞，通過提高DC/DC變換電路的開關(guān)頻率，采取多個陶瓷電容并聯(lián)代替電解電容的方案，從而延長LED驅(qū)動電路的使用壽命.

1 大功率LED工作特性

1.1 電壓與電流之間的關(guān)系

圖1 1 W白光LED的V-A曲線Fig.1 V-A curve of 1 W white LED

大功率LED的核心部分是PN結(jié)，因此它的伏安特性與普通二極管基本相同.圖1為某公司1 W白光LED的伏安特性曲線[4]，由圖1可以看出，當LED的正向電壓有較小變化時，LED的電流將有較大變化.由于流經(jīng)LED的電流發(fā)生變化，LED的發(fā)光強度就會有明顯變化.因此，為保證LED的發(fā)光強度保持穩(wěn)定，必須為LED提供恒定的電流，這就是采用恒流驅(qū)動LED的原因.

1.2 結(jié)溫與壽命之間的關(guān)系

LED的壽命在理想情況下可以達到10萬小時，實際上，由于大功率LED的熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)，芯片PN結(jié)溫度升高，將引起器件熱應力的非均勻分布，芯片的發(fā)光效率也將下降，當LED的結(jié)溫超過一定值時，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律增加.圖2是飛利浦1 W、2 W、3 W和5 W大功率白光LED結(jié)溫與壽命之間的關(guān)系曲線[5].圖中額定電流為350 mA的LED功率為1 W，700 mA的為2 W，1 A的為3 W， 1.5 A的為5 W.由圖2可以看出，大功率LED的壽命均與其結(jié)溫有關(guān)，LED的結(jié)溫超過一定值時其壽命就會呈指數(shù)曲線下降.只有確保LED的結(jié)溫始終低于某一額定值，才能有效延長LED的壽命，因此準確可靠地實時測量LED的結(jié)溫就成了延長LED壽命的先決條件.

1.3 電壓和結(jié)溫之間的關(guān)系

LED的結(jié)溫是影響LED壽命的關(guān)鍵因素，同時LED的過熱保護和熱降額補償?shù)纫残枰獪y量LED的結(jié)溫，然而LED的結(jié)溫測量目前有很多難點.近期研究發(fā)現(xiàn)，大功率LED工作在某一特定低電流范圍內(nèi)時，其結(jié)溫與端電壓近似呈線性關(guān)系[6].圖3為某公司1 W白光LED在不同驅(qū)動電流下的電壓-結(jié)溫特性曲線.

圖2 LED的結(jié)溫與壽命之間的關(guān)系曲線Fig.2 Junction temperature and lifetime curve of LED

圖3 1 W LED的電壓-結(jié)溫特性曲線Fig.3 Voltage-temperature characteristic curve of 1 W LED

由圖3可以看出，當LED工作在低電流狀態(tài)時，其電壓-結(jié)溫特性的線性度較好，為此，可以通過測量LED工作在低電流時的端電壓，推斷出LED的當前結(jié)溫，這種方法可稱為“低電流測壓法”.

2 大功率白光LED恒流源電路設(shè)計

2.1 恒流源電路系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖4 LED恒流驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖Fig.4 Circuit block diagram of constant current driving LED

根據(jù)大功率LED的工作特性，本文設(shè)計的LED恒流驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖如圖4所示.系統(tǒng)包括PIC單片機最小系統(tǒng)、LT3755恒流驅(qū)動電路、大功率LED電流檢測電路、電壓檢測電路和LED短路保護電路等(圖中大功率LED串并聯(lián)電路屬于外置電路).PIC16F873內(nèi)部具有5路A/D轉(zhuǎn)換和2路PWM輸出，主要完成LED工作電壓和平均電流的檢測、LED電流大小設(shè)定和PWM占空比的調(diào)整等功能.LT3755恒流驅(qū)動電路是恒流源電路系統(tǒng)的核心電路，主要完成高效率大電流DC/DC轉(zhuǎn)換、LED恒流驅(qū)動、LED開路保護和數(shù)字調(diào)光等功能.

2.2 LED恒流驅(qū)動電路設(shè)計

大功率白光LED恒流驅(qū)動電路的設(shè)計如圖5所示，其核心是美國凌力爾特公司的LED專用恒流芯片LT3755[7]，該芯片輸入電壓范圍為4.5～40 V，可配置為升壓、降壓、升降壓、SEPIC 或反激式的拓撲結(jié)構(gòu)，輸出電壓范圍為2.9～60 V，轉(zhuǎn)換頻率可在100 k～1 MHz范圍設(shè)置，升壓模式下的效率超過94%，數(shù)字調(diào)光比最大為3 000∶1，使用CTRL引腳可進行10∶1的模擬調(diào)光，具有LED開路保護、可編程欠壓閉鎖和軟起動等功能.

如果電解電容工作環(huán)境溫度為105 ℃時，其壽命為5 000 h(標稱值)，工作在環(huán)境溫度低于85 ℃時，其壽命為20 000 h，因此，電解電容是電源可靠性的瓶頸.采用高性能電容、控制工作溫度和通過電路設(shè)計減小電容值等方法可以延長電源電路的壽命.然而，由于電源電路功耗較大，濾波要求較高，所以這些方案很難徹底解決問題.本文通過提高DC/DC變換電路的開關(guān)頻率，采取多個陶瓷電容并聯(lián)代替大容量電解電容的方案，較好地解決了這一問題.

圖5 LED恒流驅(qū)動電路Fig.5 Circuit of constant-current driving LED

根據(jù)項目需要，本設(shè)計將LT3755連接成BOOST升壓電路，其DC/DC升壓電路由L1，D1，Q1，C2，C3，C4，C5，R1，R2，R7和RS1等部分構(gòu)成.其中，L1，D1，Q1，C2至C5構(gòu)成BOOST電路的主拓撲結(jié)構(gòu).BOOST電路的開關(guān)頻率由電阻R7的阻值來決定，取值范圍為10 k～100 kΩ，相對應的開關(guān)頻率為1 M～100 kHz.RS1為控制回路的電流檢測輸入電阻，用于過流保護，一般取值為0.015 Ω. BOOST電路輸出電壓的大小由R1和R2的比值確定.LT3755的PWM管腳用于調(diào)整LED亮度，當采用PWM調(diào)光時，大功率LED不是工作在最大電流狀態(tài)，就是工作在關(guān)斷狀態(tài)，因此，調(diào)光時LED的發(fā)光顏色不會發(fā)生變化.

RS2為LED高壓側(cè)電流檢測電阻.一方面用于LED的短路保護，當LED短路時，LT3755關(guān)斷其PWM輸出，恒流源電路停止工作；另一方面可根據(jù)CTRL引腳電壓的大小來完成LED電流設(shè)定，當VCTRL大于或等于1.2 V時，ILED=0.1/RS2，當VCTRL小于1 V時，ILED=(VCTRL-0.1)/(RS2×10),其中ILED為流過LED串的電流，VCTRL為LT3755 CTRL引腳電壓，RS2為與LED串高壓側(cè)串聯(lián)的電阻.當1 V

根據(jù)LT3755的CTRL引腳的特性，即可用“低電流測壓法”間接測量LED的結(jié)溫.具體方法是先設(shè)定VCTRL大于1.2 V的時間為10 s，讓LED正常工作，然后再設(shè)定VCTRL小于1 V的時間為0.01 s，讓LED工作在低電流狀態(tài)，通過測量LED在低電流時的端電壓即可根據(jù)圖3推斷出LED的結(jié)溫.如果LED的結(jié)溫超過設(shè)定值，可以通過調(diào)整PWM的占空比來減小LED的平均電流，降低LED的輸出功率，控制LED的結(jié)溫.

2.3 LED工作電壓檢測電路設(shè)計

圖6 LED端電壓檢測電路Fig.6 Terminal voltage detection circuit of LED

當采用“低電流測壓法”間接測量LED的PN結(jié)溫度時，需要實時采集LED的端電壓，以確定LED的溫度是否超過設(shè)定值.這部分的電路如圖6所示.

圖6是一個差動放大電路.由于LED串的端電壓最高可達60 V，而單片機A/D轉(zhuǎn)換電路能接受的最高輸入電壓只有5 V，因此該電路應設(shè)計為電壓衰減電路.調(diào)整電路中4個電阻值，使差動放大電路的輸出電壓小于5 V即可滿足電路設(shè)計要求.

3 實驗結(jié)果與總結(jié)

基于上述分析，設(shè)計制作了大功率LED恒流源電路.蓄電池提供電路的輸入電壓為12 V，負載采用6并10串聯(lián)接的60顆1 W的大功率白光LED，單片機PWM輸出頻率設(shè)定為250 Hz，然后將該電路連接在太陽能LED路燈系統(tǒng)中工作一年，前半夜LED路燈全功率工作，后半夜調(diào)整單片機的PWM占空比為1∶2，LED路燈工作于半功率模式.實驗證明該電路能穩(wěn)定可靠工作.恒流源電路部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 恒流源電路部分實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Part of the experiment data of constant current circuit

注：半功率模式下，LED的端電壓不變，電流是占空比為1∶2的脈沖電流，加“*”的數(shù)值是其均值.

從實驗結(jié)果可以看出，由于恒流源大部分時間工作在正常工作模式和半功率工作模式，所以其效率接近92.6%.正常工作模式時，每顆LED的平均電流為317 mA，平均電壓為3.11 V，功率基本達到1 W，恒流源的精度雖然只有1.05%，但這對于驅(qū)動大功率LED來說已經(jīng)足夠.由于LED在正常工作模式時的結(jié)溫在80 ℃左右，因此，在測量模式時，當每粒LED的平均電流為5 mA時，平均電壓為2.55 V，這與圖3所示的1 W LED的電壓-結(jié)溫圖基本相符，這說明采用“低電流測壓法”測量LED的結(jié)溫是行之有效的.

實驗表明，采用“低電流測壓法”間接測量LED的PN結(jié)溫度，更好地保護了LED，采用LED專用恒流芯片LT3755為主電路簡化恒流源電路設(shè)計，采用無電解電容的DC/DC電路延長恒流源電路的壽命.

參考文獻：

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[6] 劉廷章.大功率LED照明的恒流驅(qū)動技術(shù)[EB/OL].[2011-07-09]. http://wenku.baidu.com.

[7] Linear Technology Inc. LT3755 Datasheet [EB/OL]. [2010-09-10].http://www.linear.com.