齊 家 ，鄧周虎，侯明月，齊文濤

(西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710127)

隨著LED的迅速發(fā)展?，F(xiàn)在白光LED光源相比的傳統(tǒng)光源具有壽命長(zhǎng)、固體照明不易損壞、高光效、無(wú)汞環(huán)保、抗震等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將成為第三代光源[1]，將帶來(lái)照明領(lǐng)域的又一次革命。將LED使用到照明領(lǐng)域，需要適合LED的驅(qū)動(dòng)電源，文中利用PWM開(kāi)關(guān)控制方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種白光LED的大功率驅(qū)動(dòng)電路。

1 LED電氣特性和驅(qū)動(dòng)要求

1.1 LED的電學(xué)特性

白光LED的I-V特性與普通二極管類(lèi)似，只是開(kāi)啟電壓不同，不同材料制備的LED開(kāi)啟電壓一般在1.5～3.0 V之間。處于正向工作區(qū)時(shí)，工作電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系[2]

式中，IS為反向飽和電流;VF為二極管兩端的外加電壓;q為電子電荷;k為波爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度。LED可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作時(shí)的直流電流，稱(chēng)為額定工作電流，此時(shí)LED壓降稱(chēng)為額定電壓。1 W的白光LED，其額定工作電流350 mA，額定電壓3.3 V。允許加在LED兩端正向電壓與流經(jīng)LED電流之積的最大值為其極限功耗，當(dāng)實(shí)際功耗超過(guò)該值時(shí)，LED發(fā)光特性變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使LED產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞[3]。

1.2 LED驅(qū)動(dòng)要求

由LED的I-V特性可知，當(dāng)加在LED兩端的電壓稍有波動(dòng)，都會(huì)引起電流的劇烈變化，此時(shí)很容易使電流過(guò)大，輸入功率超過(guò)其極限功耗，從而對(duì)LED造成不可恢復(fù)的損壞。當(dāng)LED工作電流值不同時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度也不同，若采用恒壓驅(qū)動(dòng)，則LED陣列應(yīng)采用并聯(lián)方式連接，但是由于LED個(gè)體之間的參數(shù)誤差，會(huì)導(dǎo)致各支路的電流不同，致使陣列發(fā)光強(qiáng)度不均勻，因此LED的驅(qū)動(dòng)電路一般選擇恒流驅(qū)動(dòng)模式，相應(yīng)的LED陣列亦采用串聯(lián)方式連接，驅(qū)動(dòng)電流一般設(shè)為L(zhǎng)ED額定電流的70% ～85%，以保護(hù)LED，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的，同時(shí)也使每個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度均勻一致[4]。

LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，需要考慮以下幾個(gè)基本指標(biāo)[5]:

(1)提高驅(qū)動(dòng)電路的轉(zhuǎn)換效率，減小電路中的功耗。(2)提高電路的可靠性，能夠耐高壓，具有過(guò)流檢測(cè)功能。(3)電路盡量精簡(jiǎn)，有較小的電路體積和較低的制造成本。

2 PWM方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

2.1 PWM原理

PWM即脈沖寬度調(diào)制，利用脈沖控制開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以控制電路輸出的平均電壓或電流從而達(dá)到控制電路的輸出功率。PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓或恒流的基本工作原理是在輸入電壓、系統(tǒng)參數(shù)及外接負(fù)載發(fā)生變化的情況下，在固定工作頻率下控制電路通過(guò)被控信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定。由于控制器件功耗小，工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)中的電路效率高，所以電源效率一般可以做到80%～90%[6-7]。該類(lèi)電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。PWM開(kāi)關(guān)電路由4部分組成，即輸入整流濾波、PWM控制、開(kāi)關(guān)器件和輸出濾波。根據(jù)PWM方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖1所示。

圖1 PWM方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路框圖

常見(jiàn)PWM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)產(chǎn)生部分大都實(shí)現(xiàn)了集成化，更加精簡(jiǎn)PWM開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，下面介紹利用芯片HV9910B設(shè)計(jì)適用于大功率LED的典型PWM方式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 電路設(shè)計(jì)

HV9910B是一種通用LED驅(qū)動(dòng)控制器，它的適應(yīng)性強(qiáng)，即可使用國(guó)際通用的市電供電，也可以用蓄電池或者太陽(yáng)能供電，而且能夠接受范圍較寬的輸入電壓。輸出的恒流驅(qū)動(dòng)電流范圍極寬，從幾十mA到1 A以上。使用HV9910B搭建的驅(qū)動(dòng)器使用器件較少，電路簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本也會(huì)降低[8]。由HV9910B設(shè)計(jì)的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，輸入為AC 220 V的市電，負(fù)載為10只功率為1 W的LED串聯(lián)組成陣列。

圖2 基于芯片HV9910B控制的LED驅(qū)動(dòng)電路

電路輸入級(jí)由全波整流橋和一個(gè)濾波電容組成，完成對(duì)交流電的整流濾波?？刂萍?jí)由HV9910B芯片搭建，經(jīng)輸入級(jí)濾波后的電壓輸入到芯片的Vin，作為電路的輸入電壓 VI，其峰值是 3 10 V，均值為190 V。VDD、LD、PWMD端通過(guò)電容器接GND端，以維持相應(yīng)引腳的片內(nèi)電壓。由GATE端輸出頻率一定的方波脈沖信號(hào)作為開(kāi)關(guān)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管，其頻率由RT端所接的電阻設(shè)定，脈沖寬度由CS端采樣電阻RCS反饋的LED電流信號(hào)控制。電感L1在電路中起著至關(guān)重要的作用，為驅(qū)動(dòng)電路提供濾波和儲(chǔ)能以及續(xù)流供電，以保持負(fù)載中電流的均衡性，恢復(fù)二極管完成構(gòu)建續(xù)流通路的作用。在開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)通半周內(nèi)，由前級(jí)濾波后的電勢(shì)向LED負(fù)載直接供電，并給L1充電;在開(kāi)關(guān)信號(hào)關(guān)斷半周內(nèi)，由充滿(mǎn)能量的L1給快恢復(fù)二極管、LED組成的回路供能，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi)完成對(duì)LED的持續(xù)驅(qū)動(dòng)。

2.2.1 電路參數(shù)計(jì)算和器件選擇

參考芯片的使用手冊(cè)和具體電路要求可以確定芯片的外圍器件參數(shù)，首先必須確定電路的工作頻率。由RT引腳接阻值為226 kΩ～1 MΩ的電阻，設(shè)定GATE引腳輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率。該頻率的選擇與電感L值和開(kāi)關(guān)管性能有關(guān)，一般在市電供電條件下，頻率選擇在25～150 kHz[5]。當(dāng)選擇過(guò)高頻率時(shí)，需要的電感值較小，但對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求很高，此時(shí)開(kāi)關(guān)管功耗比低頻工作時(shí)大很多。試驗(yàn)中，先設(shè)置到100 kHz開(kāi)關(guān)頻率，在沒(méi)有散熱的情況下MOSFET發(fā)熱量大，極易燒毀。當(dāng)頻率設(shè)置到26 kHz時(shí)，計(jì)算所得電感很大，在工作狀態(tài)中電感上消耗過(guò)多能量，也不適合電路的高效率工作，所以開(kāi)關(guān)工作頻率選50 kHz。

LED的驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定為0.35 A，根據(jù)芯片手冊(cè)中提供的計(jì)算公式可得到RT值為478 kΩ，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)可以使用470 kΩ電阻用作RT，采樣電阻RCS=0.62 Ω。

電感L1取值與LED電流的紋波值有關(guān)，一般限制紋波系數(shù)最大為0.3，電感值的計(jì)算公式[9]為

電路驅(qū)動(dòng)了10個(gè)LED，其VLEDS為33 V，Vin是經(jīng)過(guò)全波整流和濾波后的峰值電壓，其值為310 V，ILED和fs取值同前，代入式(2)計(jì)算得到L1=5.6 mH，電路中選用6.8 mH的電感。

MOS管選取了性能優(yōu)良的IRF840，其最大耐壓500 V，最大漏極電流5 A，導(dǎo)通電阻0.6 Ω。二極管選取快恢復(fù)二極管BYV26B，其反向耐壓VD=500 V，正向平均電流1 A，正向?qū)▔航?.2 V。電容C2作為輸出濾波電路實(shí)現(xiàn)電壓濾波，C2在4.7～33 μF的電容中選取，前級(jí)的濾波電容C0選擇4.7～33 μF的極性電容，電容C1使用2.2 μF無(wú)極性電容。全波整流橋要求有高耐壓和大的過(guò)電流，電路中選取DB206S，可耐脈沖高壓800 V，浪涌電流2 A，滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 電路效率理論計(jì)算參考

整個(gè)電路中的主要損耗由功率MOS管、采樣電阻、負(fù)載LED相連的電感L1、快速二極管以及芯片HV9910B產(chǎn)生[7]。根據(jù)文獻(xiàn)[7]所提供的相關(guān)公式和特定型號(hào)的原件參數(shù)，可以計(jì)算得到該電路的總體功耗PLOSS=PMOS+PDIODE+PINDUCTOR+PIC+PRS=0.032+0.389+0.613+0.31+0.008=1.352 W。

電路輸出電功率為PO=33×0.35=11.6 W，電路的整體轉(zhuǎn)換效率η=11.6/(1.35+11.6)×100%=89.57%。從效率理論計(jì)算結(jié)果來(lái)看，該設(shè)計(jì)電路性能優(yōu)良。

3 電路測(cè)試

對(duì)所設(shè)計(jì)的PWM開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電路搭建，并采用數(shù)字電壓表，交流功率計(jì)，示波器等實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)其實(shí)物電路的工作狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試。在電路正常工作情況下，對(duì)電路中的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓波形進(jìn)行測(cè)試。

圖3為施加到開(kāi)關(guān)器件柵極的PWM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)波形，其周期為14 μs，幅值8 V，占空比8.3%，周期和預(yù)設(shè)值有一定差距，這主要是電阻RT阻值誤差造成的頻率設(shè)置偏差。圖4是LED負(fù)載中電流的波形。測(cè)量過(guò)程是在LED負(fù)載回路中串入0.5 Ω電阻測(cè)量其兩端的電壓波形，利用電阻的線性特性來(lái)反映電流特性。從波形上看，電流按照鋸齒波形周期性變化，峰峰值為40 mV，計(jì)算得到其電流紋波為80 mA，輸出電流均值為350 mA，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到其紋波系數(shù)為22.9%。

電路的輸入功率PI實(shí)測(cè)為9.9 W，負(fù)載消耗功率Pout為8.7 W，則該電路的轉(zhuǎn)換效率為87.8%，和對(duì)電路效率理論計(jì)算所得值相近。

經(jīng)過(guò)對(duì)電路的關(guān)鍵點(diǎn)波形測(cè)量，和對(duì)電路功率的實(shí)測(cè)，得到該電路工作在71 kHz的頻率開(kāi)關(guān)狀態(tài)，工作狀態(tài)穩(wěn)定、輸出功率大、效率較高。但是電路的輸出紋波系數(shù)偏高，致使安全工作中LED的發(fā)光照度不會(huì)達(dá)到其最優(yōu)值，還需要對(duì)電路輸出濾波部分進(jìn)一步改進(jìn)提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析了解LED發(fā)光性能和電氣特性，得到使用恒流電源驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)方式連接LED陣列的驅(qū)動(dòng)要求。在PWM方式開(kāi)關(guān)電路原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了基于HV9910B芯片的典型PWM方式開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定其最佳工作頻率，較好地完成了對(duì)白光大功率LED的照明驅(qū)動(dòng)。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)電源有著較為優(yōu)越的電路轉(zhuǎn)換效率，工作電壓范圍寬，恒流輸出和轉(zhuǎn)換效率超過(guò)85%的特點(diǎn)。但是要更安全地驅(qū)動(dòng)白光LED進(jìn)行日光照明，就需要對(duì)開(kāi)關(guān)電路的輸出進(jìn)行更為優(yōu)秀的濾波處理，使電路的輸出紋波更小，電流更平穩(wěn)。

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