新型高亮度LED驱动电路设计

新型高亮LED驱动电路设计

摘 要

随着生产成本的降低，大功率高亮LED作为近年来快速兴起的一种新型光源,得到越来越广泛的应用。当前应用的直流电压驱动方式,存在稳压和限流的装置在保证比较好的限流特性时,自身功耗过大,使系统的效率大为降低的缺点。因此设计新型高频脉冲LED驱动电路，采用高效率的限流措施,显著提高LED驱动电路的效率。

关键词:LED,驱动电路,效率,限流

Abstract: With the depressing of producing cost, high-power sup-high bright degree LED is widely used as a new type lighting system. Currently used volts d.c. driving type has the disadvantage of over power consumption and inefficiency while guarantee preferably current-limiting characteristic. So we design new type high frequency impulse LED driving circuit using high-efficiency current-limiting technique, which increase the efficiency of LED driving circuit obviously. Keywords: LED, driving circuit, efficiency, current-limiting

引言

随着照明技术的飞速的发展和大功率高亮LED技术的不断成熟。在提倡环保的今天,大功率LED将成为二十一世纪的照明新光源。LED的特性决定了它的发光强度由驱动电流控制。当LED两端电压发生波动时,流过发光二极管中的电流变化较大,而发光二极管的发光强度等比驱动电流,因此驱动电流的稳定直接影响到LED 的发光质量。本设计采用具有反馈环节的智能驱动方式,并对控制算法进行了验证。

1、应用中的驱动电流比较

1.1传统的低效率电路

图1 是传统的低效率电路,电网电源通过降压变压器降压,桥式整流滤波后,通过集成稳压单元LDO，使输出端的电压基本稳定在9V ,限流电阻R1 可以用得很小也不会因为电源电压不稳定造成LED 的超载。但是此电路除了保证LED 的基本恒定输出外,由于稳压单元LDO和限流电阻的压降存在，其效率只能达到40－50％。

图1 采用稳压和限流装置的LED驱动电路

1.2采用集成恒流源

这种电路的显著特点是当电源电压在±15 %的范围内变动时,输出波动≤1 % ,可称为恒功率驱动电路。另外用于集成IC电路的特性，使电路可以在很低的串联分压下工作，系统效率达70 %左右。该电路的输入电源可采用工频交流,以电子变压器作为前级,这样能保证谐波和电源端子干扰都符合标准的要求。但缺点是成本比较高。

1.3采用电容作限流元件的LED 驱动电路

图2电路是直接采用电容作为限流元件,在此电路中,由于电容上的分压几乎达到了全部电源电压,所以具有良好的限流特性,当电源电压在±10 %波动时,输出电流也在≤±10 %范围内波动,只要在设计中把LED 的额定值留有一定的裕量,就能保证在电源电压波动时LED 仍处于良好的工作状态。由于电容的介质损耗极小,所以电路的损耗很小。电阻R 的作用是在断电时保证电容上的电压能及时放掉,其阻值可≥3MΩ。每组串联的LED 中可加一个1N4007 二极管,当两组串联的LED 有一个内部开路时,另一组有可能被反向电压击穿,如果串入一个1N4007 二极管,则可保护剩余的LED 不损坏,当然1N4007 的加入也使效率略有下降(当输出电流30mA 时,1N4007 上的功耗约0102W) 。对于一体化小夜灯, 可省略

1N4007 ,此时这一驱动电路效率≥90 %。用此驱动电路做成的LED 小夜灯,效率高于采用气体放电光源的小夜灯,并且使用寿命远大于采用其它光源的小夜灯。此电路在30 个LED 串联时还能稳定工作,但是该电路输出的光具有一定的频闪(在50Hz 工作时有100Hz 的频闪) ,不适用于运动物体的照明场合,并且使用时LED 需做成不可触及的,否则将影响安全。

图2 采用电容作限流元件的LED 驱动电路

2、电路构成及原理

2.1电源部分

图3电路的特点是,负载可根据电子变压器功率的大小进行调节,并且可做到次级完全隔离的安全特低电压输出,输出电压可稳定在12V,最高可调节到25V ,空载输出电压33V。同时采用限流电感来稳定输出电流，限流电感的体积可以做得很小,每个电感的电感量仅为0105～012mH(根据输出电流不同,采用不同电感量的电感) ,只要电感采用的线径不是太细,电子变压器的调试水平较高,这一电路在输出功率为8～70W时,总体效率可达80 %～92 %。此电路在线路功率≥25W 时,还能全面满足谐波和EMI的要求。此电路在电源电压变化±10 %时,输出功率变化±20 % ,所以应保证在额定电源电压下,使输出功率适当小于额定值,防止过电压时超载而影响使用寿命。

图3 电源电路

2.2主电路拓扑结构

主电路采用图4所示结构，通过单片机控制MOSFET开关，通过电阻RS采样反馈电流。L1为储能电感。

图4 主电路结构

2.3 控制方式

当白光LED 恒流工作时的最大电流设计为350mA 时,由于MOSFET的存在,其均值电流肯定是小于350mA ,不能充分发挥白光LED 的最大亮度。根据白光LED 的发光特点:当均值电流为350mA 时,其可以承受的最大峰值电流会随着开关管导通时间的降低而增加。如:LED 承受600mA 和800mA 的电流时导通时间分别是011μs 和0101μs。所以当用PWM的输出频率来控制峰值电流时,还要考虑不超过LED均值电流350mA 的限制。由于白光LED 的发光特点,即使在峰值电流为800mA、均值电流为350mA时,其发光强度仍然比白光LED 恒流工作在350mA时低。此结论在试验中得到了证实。因此采用图4所示的结构,选择合适的电感以保证恒定的电流,用RS 来检测输出均值电流的大小,以满足LED对电流的限制。

2.4储能电感

在图4电路中,当MOSFET管导通时,电感电流增加,开始储能,LED 开始发光,续流二极管由于承受反向电压关闭。当MOSFET 关断时,电感电流减少,开始释放能量,通过肖特基二极管续流。当电路进入稳态工作时,电感电流波形如图5所示。

图5 电感电流波形

2.5 MOSFET、肖特基二极管、采样电阻的选取

MOSFET管所承受的最高电压为16V ,考虑到其扩展性,不妨将其最高电压控制在安全电压范围内,即36V ,其电流为0135A。考虑尖峰电流的冲击时,由于电路中有平波电感,假设其最高电流为015 A。开关频率设定为10kHz。满足上述条件的开关管有很多,我们选取了IRF830 (415AP500V) 。续流二极管承受电源和电感的反向电压最高可达到30V ,为了达到节能,我们选用低导通压降的1N5819 肖特基二极管。

2.6 控制电路的设计

为了实现对LED 亮度的调节以及定时等功能。采用单片机通过软件来实现所需要的各种功能。采用软件控制方式有以下几个好处:

(1) 增加了控制的灵活性,可以满足很多新的控制要求。

(2) 当需要控制的负载电路发生改变时,不需要修改硬件电路,只需修改软件部分,即可实现新条件下的应用。

(3) 在数字控制中,有一种应用十分广泛的控制方式———数字式PID 控制。在本设计中,为了防止蓄电池电压下降引起白光LED 亮度的变化, 对流过LED 的电流进行了采样, 然后由单片机实现PID 控制,最后通过负反馈来实现对开关管的

控制。

3、试验结果分析

试验采样电流波形如图6所示，MOSFET管控制信号波形如图7所示。

由试验可知,当供电电压逐渐增高时,单片机输出的PWM 控制信号的脉冲宽度逐渐变窄,而电流信号的波动幅度增加。当开关管导通时间变短后,要想保持流过LED 的均值电流无变化,只有增加峰值电流量,而峰值电流的大小和储能电感有关。虽然采样电流信号波动会随着电压增大而增大,但是均值电流是基本不变的。目视观察亮度也无明显变化。

图6 采样电流波形如

图7 控制信号波形如

4、结束语

实验结果和预期是完全一致的。当输出电压降低时,流过LED 的电流也会跟着降低,单片机通过反馈环节检测到电流值低于给定电流值时,即目前的PWM输出脉冲的宽度无法满足要求,就会自动调节使输出脉冲变宽,从而使得开关管的导通时间增加,以保证流过LED 的电流不变。

LED驱动电路不可能省略限流的装置,限流装置的阻抗越大,提供给LED 驱动电流的条件越好。但是此类装置应具备自身承担的分压高且自身功耗小的特性,否则将使具有较高效率的LED 因为驱动电路的工作功耗太大而使总体系统的效率大为降低,有悖于节能高效的宗旨。所以应尽可能不采用电阻或串联稳压电路来作为LED 驱动器的限流主电路,而应该采用电容、电感或有源开关电路等高效电路,这样才能保证LED 系统的高效率。采用串联式集成恒功率输出电路,可以使LED 的光输出在很宽的电源范围内保持恒定,但一般的IC 电路会因此而使效率有所下降。采用具有反馈环节的控制电路可以在保证较高转换效率的情况下，实现电源电压大幅度变化时恒功率输出。

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