雙路不等功率恒定電流輸出的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

周子睿，葛 鵬，李 陽，王 洪

(華南理工大學(xué)廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣州 510640)

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雙路不等功率恒定電流輸出的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

周子睿，葛 鵬，李 陽，王 洪

(華南理工大學(xué)廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣州 510640)

我們提出了在LED光源中加入一組紅光LED芯片，并在熒光粉層中減少紅色熒光粉的使用量。實(shí)驗(yàn)得出，這種光源具有高顯色指數(shù)、高光效的優(yōu)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)白光LED達(dá)到不同的色溫，藍(lán)光LED和紅光LED的電流要求不一樣，因此設(shè)計(jì)了一種雙路不等功率恒定電流輸出的LED驅(qū)動(dòng)電路，能同時(shí)為L(zhǎng)ED光源的藍(lán)光LED和紅光LED提供不同的恒定工作電流。封裝后的白光LED經(jīng)過測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電路能夠滿足白光LED高顯色指數(shù)、高光效的要求，能夠廣泛應(yīng)用于商業(yè)照明場(chǎng)合。

白光LED；紅光LED；高顯色性；LED驅(qū)動(dòng)；雙路輸出；電路；設(shè)計(jì)；恒定電流；不等功率

引言

作為新型照明光源，LED以其節(jié)能、環(huán)保、反應(yīng)快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)正逐漸替代傳統(tǒng)的照明光源，被廣泛應(yīng)用于各種照明場(chǎng)合。然而不同場(chǎng)合的照明，對(duì)LED的色溫和顯色指數(shù)等指標(biāo)有著不同的要求[1-2]。

LED產(chǎn)生白光的基本辦法是用藍(lán)光LED產(chǎn)生的藍(lán)光激發(fā)熒光粉從而產(chǎn)生白光[3]，這種方法可以得到中高色溫的白光，具有很高的光效，但是，對(duì)于高色溫其顯色性較差[4]。為滿足色溫和顯色指數(shù)等高指標(biāo)的要求，通常會(huì)在熒光粉內(nèi)加入紅色熒光粉以改善其暖色溫顯色性，但紅色熒光粉價(jià)格昂貴，且激發(fā)效率較低，會(huì)降低光源的整體光效[5-6]。

為提高光源整體的顯指和光效，本文提出在LED光源中加入一組紅光LED芯片，這種LED光源由藍(lán)光LED和紅光LED組成，能有效提高光源的紅光成分，這樣就可以減少熒光粉層中紅色熒光粉的使用量，有利于光源光效的提高[7-8]。這種新型白光LED光源對(duì)LED驅(qū)動(dòng)提出了新的要求：驅(qū)動(dòng)藍(lán)色LED和紅色LED的功率不相同，他們具有不同的電流、電壓要求，其中，藍(lán)色LED為主要發(fā)光元件，需要功率大，紅色LED作為調(diào)整色溫、提高顯色指數(shù)用，需要功率小。因此，本文主要設(shè)計(jì)了一種能滿足該新型光源的雙路不等功率恒定電流輸出的LED驅(qū)動(dòng)電路。

1 電路設(shè)計(jì)

圖1所示為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖，由上級(jí)穩(wěn)壓電路獲得穩(wěn)定的約400V的直流電壓，通過功率變換電路產(chǎn)生100kHz左右的高頻高壓交流電壓，完成DC-AC變換，并經(jīng)由功率變換電路中的高頻變壓器降壓，通過高頻整流濾波電路實(shí)現(xiàn)交流(AC)-直流(DC)的變換，獲得驅(qū)動(dòng)LED光源中的藍(lán)光LED燈組的工作電壓。脈沖頻率調(diào)制電路提供功率變換電路所需要的驅(qū)動(dòng)頻率信號(hào)，并與電壓電流采樣電路中的電流采樣電路共同構(gòu)成電流負(fù)反饋閉環(huán)控制，對(duì)藍(lán)色LED燈組的工作電流進(jìn)行恒流控制，其電流指令由單片機(jī)控制器通過調(diào)光指令進(jìn)行綜合運(yùn)數(shù)后，通過以脈沖寬度調(diào)制模塊122與低通濾波電路組成PWM式數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。LED光源的紅光LED由恒流控制電路的輸出電流驅(qū)動(dòng)，該電路的電源取自高頻整流濾波電路的輸出，電流指令從單片機(jī)控制器的脈沖寬度調(diào)制模塊122中的另一路輸出獲取。另外，接受調(diào)光接口輸出的調(diào)光指令，通過預(yù)設(shè)的照度調(diào)整曲線，計(jì)算出藍(lán)光和紅光的輸出比例，據(jù)此得到藍(lán)光LED和紅光LED的驅(qū)動(dòng)電流大小，借助脈沖寬度調(diào)制模塊122分別輸出藍(lán)光和紅光電流指令，完成恒定色溫和恒定顯色指數(shù)調(diào)光功能。

圖1 LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Design structure diagram of LED driver

圖2所示為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路功率變換電路和高頻整流濾波電路的原理圖。功率變換電路由場(chǎng)效應(yīng)管Q301，Q302，電感T301及電容C304構(gòu)成半橋LLC諧振變換器[9]，變換器中的功率場(chǎng)效應(yīng)管工作在零電壓和零電流開關(guān)狀態(tài)，提高了功率變換電路的效率。半橋LLC諧振變換器工作在脈沖頻率調(diào)制方式，由集成電路FAN7631及外圍電阻、電容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的脈沖頻率調(diào)制電路提供變換頻率的調(diào)節(jié)。電容C302，電阻R305，R311，二極管D301，D303共同構(gòu)成LLC變換器的初級(jí)電流檢測(cè)電路，檢測(cè)結(jié)果饋入集成電路FAN7631，完成LLC變換器初級(jí)過流保護(hù)功能。高頻整流電路由D302A和D302B組成半橋全波整流電路，高頻交流電壓進(jìn)行整流變換為直流電壓，并由C308，C309，C310，C311四個(gè)電容進(jìn)行平滑濾波，為L(zhǎng)ED光源的藍(lán)光LED燈組提供恒定的驅(qū)動(dòng)電流。電容C305和電阻R306組成緩沖吸收電路，為二極管D302B提供保護(hù)，電容C306和電阻R307組成緩沖吸收電路，為二極管D302A提供保護(hù)。

圖2 LED驅(qū)動(dòng)電路的功率變換電路和高頻整流濾波電路的原理圖Fig.2 Schematic diagram of power converter circuit and high frequency rectifier filter circuit of LED driver

圖3所示是為白光LED光源的紅光LED芯片提供驅(qū)動(dòng)電流的控制電路的原理圖，該電路從上述高頻整流濾波電路(藍(lán)光LED恒流控制電路)獲得較高的直流電壓，并進(jìn)行buck降壓DC-DC變換和恒流控制，是由集成電路LM3402及其外圍元件L701、D705組成的buck降壓電路，電容C702，C703在輸入端起濾波作用，電阻R701，R706和場(chǎng)效應(yīng)管Q701起控制集成電路LM3402的工作或者截止。對(duì)DIM端口輸入PWM信號(hào)，通過調(diào)節(jié)占空比可改變輸出的平均電流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED光源的紅光LED燈組的調(diào)光功能[10]。

該電路可輸出最大為420 mA的驅(qū)動(dòng)電流，電流閉環(huán)負(fù)反饋控制電路控制由集成電路IC702和電阻R702，R705，R707組成。取樣電阻R702兩端電壓由IC702放大20倍之后，通過R705，R707分壓輸入集成電路LM3402的CS端口，與其基準(zhǔn)電壓200 mV進(jìn)行比較，等于基準(zhǔn)電壓則集成電路LM3402保持恒流輸出，否則禁止輸出。

圖3 為白光LED光源的紅光LED芯片提供驅(qū)動(dòng)電流的控制電路的原理圖Fig.3 Schematic diagram of the control circuit that provides the driving current for the red LED of the white LED light source

2 白光LED光源

白光LED光源由藍(lán)光LED芯片和紅光LED芯片組成，藍(lán)光LED芯片模組由藍(lán)光LED芯片串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)組成，紅光LED芯片模組由紅光LED芯片串聯(lián)組成，如圖4所示是藍(lán)光LED芯片和紅光LED芯片排布圖，圖中A、B、C、D四個(gè)位置為紅光LED芯片的放置點(diǎn)，圖中A、B、C、D四個(gè)位置圍成的區(qū)域是藍(lán)光LED芯片放置區(qū)域。

光源的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其封裝流程為：第一步固晶，使用自動(dòng)固晶機(jī)完成固晶，按照?qǐng)D4所示的排布方式將藍(lán)光LED芯片和紅光LED芯片放置在相應(yīng)位置；第二步焊線，為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)外引線的連接，通過導(dǎo)電引線將芯片電極與基板焊盤連接在一起；第三步圍壩，在LED芯片的固晶區(qū)域外用LED專用圍壩膠在基板圍成一環(huán)形圍壩圈，將LED芯片圍于其中；第四步點(diǎn)粉，按照正確的各色熒光粉比例以及對(duì)應(yīng)的A、B硅膠比例均勻混合，得到熒光膠體，通過杭州中為光電技術(shù)股份有限公司ZWL-3900G集成封裝(COB)LED分光分色測(cè)試系統(tǒng)測(cè)出點(diǎn)粉后光源的各項(xiàng)指標(biāo)，如色坐標(biāo)，色溫，顯色指數(shù)，光效等等，根據(jù)指標(biāo)的偏差來調(diào)節(jié)膠量的多少以達(dá)到所需技術(shù)要求，待液態(tài)熒光硅膠完全流平后，放置于80～90℃的烤箱內(nèi)烘烤1 h后，轉(zhuǎn)入150～155℃的烤箱內(nèi)繼續(xù)烘烤2 h，使得圍壩圈內(nèi)的熒光硅膠層固化。完成封裝的LED光源和LED驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)物圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)電路輸出功率為45W時(shí)，采用杭州中為光電技術(shù)股份有限公司ZWL-3900G集成封裝(COB)LED分光分色測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量得到的光譜功率分布圖如圖7所示。表1是2 700 K色溫光源的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，可見光源的色溫為2 700 K的情況下，顯色指數(shù)能達(dá)到90以上，發(fā)光效率亦可達(dá)到90 lm/W以上，能滿足色溫和顯色指數(shù)等高指標(biāo)的要求。

圖4 藍(lán)光LED芯片和紅光LED芯片排布圖Fig.4 Arrangement diagram of blue LED and red LED

圖5 光源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of light source

圖6 LED驅(qū)動(dòng)電路和LED光源實(shí)物圖Fig.6 LED driver and LED light source

圖7 光譜功率分布圖Fig.7 Spectral power distribution

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種能滿足由藍(lán)光LED芯片和紅光LED芯片組成的新型光源的雙路不等功率恒定電流輸出的LED驅(qū)動(dòng)電路，測(cè)試結(jié)果顯示光源的色溫為2 700 K的情況下，顯色指數(shù)能達(dá)到90以上，發(fā)光效率亦可達(dá)到90 lm/W，所設(shè)計(jì)的電路能夠滿足白光LED高顯色指數(shù)、高光效的要求，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

表1 功率45W色溫2700K光源的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of the light source with 45W and 2700K color temperature

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Design of LED Driver Circuit with Dual Unequal Power and Constant Current Output

ZHOU Zirui, GE Peng, LI Yang, WANG Hong

(Engineering Research Center for Optoelectronics of Guangdong Province, South China University of Technology,Guangzhou 510640，China)

We propose to add red LED chips to the LED light source and reduce the amount of red phosphor used in the phosphor layer,the results show that the light source has the advantages of high color rendering index and high luminous efficacy.To achieve a different color temperature of white light LED, the current requirements of blue LED and red light LED are different,so we design a LED driver circuit with dual unequal power and constant current output, which can provides the different constant working current for the blue light LED and red LED of the LED light source.The results show that the LED driver circuit can satisfy the requirements of high color rendering index and high luminous efficacy.It can be widely used in commercial lighting occasions.

white LED; red LED; high color rendering index; LED driver; dual output; circuit; design

廣東省產(chǎn)學(xué)研結(jié)合重點(diǎn)項(xiàng)目(2016B090918057),廣東省戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金LED產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目(2012A080304015),廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201504291057005，201504291502518)資助

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.020