張慧熙,安 康,王琦暉,胡克用

(杭州師范大學錢江學院，浙江 杭州 310012)

亮度可調大功率白光LED驅動電路設計

張慧熙,安 康,王琦暉,胡克用

(杭州師范大學錢江學院，浙江 杭州 310012)

采用SD42524芯片設計了亮度可調的大功率白光LED驅動電路.該電路最大可驅動10個串聯(lián)的350 mA白光LED，功率達到10 W，并可隨意調節(jié)亮度.調節(jié)亮度所需要的PWM信號由EPM240T100C5芯片產(chǎn)生，該芯片具有80個靈活的I/O口，便于擴展.該驅動電路具有性價比高、驅動能力強、應用范圍廣等特點.

大功率；LED；PWM

0 引 言

白色發(fā)光二極管，即白光LED，是國際公認節(jié)能、環(huán)保、高效、長壽命的下一代照明光源.隨著白光LED技術的進步，它正逐步被應用到各個領域.目前，LED照明產(chǎn)業(yè)的競爭如火如荼，各國的焦點都集中在大功率高亮度白光LED這一領域.節(jié)能減排是時代的主題.同等亮度的白光LED比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上，因此，使用LED光源不僅更經(jīng)濟，還可以大幅度減少污染物的排放.再者，傳統(tǒng)光源不便于調節(jié)亮度，這也是浪費能源的一個方面.如果使用LED光源并且可以任意調節(jié)亮度，就能更大幅度地節(jié)能減排[1].基于這個目的，設計了亮度可調大功率白光LED驅動電路.

1 電路設計

與傳統(tǒng)光源不同，LED需要專用驅動芯片才能使其高效持續(xù)的工作.對LED采用恒流驅動方式較之恒壓驅動具有更高的可靠性，同時也有利于保證各個LED之間亮度和色度的一致[2].LED光源通常是采用DC-DC式恒流電源來驅動的，這類恒流驅動電源通常分為升壓型或降壓型兩種.假如電源電壓低于負載電壓就采用升壓型；假如電源電壓高于負載電壓就采用降壓型.LED負載的正向電壓是由其正向電流決定的，為了調光，負載電壓有時會低于電源電壓，這樣升壓型恒流源就根本無法工作，所以可調亮度LED驅動電路應采用降壓型恒流源[3].實際上，如果采用升壓型恒流源驅動LED發(fā)光，當通過調節(jié)正向電流而調光時，只要調到很低的亮度幾乎一定會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，因為此時LED負載電壓一定是低于電源電壓.而采用降壓型恒流源，因為同樣的調光方式可保證LED負載電壓低于電源電壓，從而減弱閃爍現(xiàn)象，所以降壓型恒流源是較好選擇.

SD42524是一款降壓型、PWM控制、功率開關內置的采用電流模式驅動LED發(fā)光的集成芯片，其結構如圖1所示[4].SD42524內部的放大器、比較器、觸發(fā)器、功率開關管和負載電路一起可構成負反饋工作回路，所以能夠穩(wěn)定LED亮度.圖2所示電路就是采用SD42524而設計的亮度可調大功率白光LED驅動電路.實驗電路使用的發(fā)光二極管是美國普瑞1W白色LED燈珠.另外，SD42524批發(fā)價格低廉，可以降低產(chǎn)品的成本，提升競爭力.

圖1 SD42524的內部電路結構Fig. 1 Internal circuit structure of SD42524

圖2 白光LED驅動電路實驗原理圖Fig. 2 Schematic diagram of driver circuit for white light LEDs

1.1 外圍電路器件選擇

1)輸入電容Cin.此電容在功率管導通的時候提供脈沖電流，功率管截止的時候電源對電容充電，由此來保持輸入電壓的穩(wěn)定性并且減小輸入開關噪聲.Cin的容量大于20 μF，Cin的耐壓值必須大于輸入的峰值電壓.另外，布板時Cin盡可能離輸入腳近一些.

2)輸出電容Co.在LED兩端并聯(lián)一個電容可以減小輸出電壓紋波，從而減小LED的紋波電流，當然這個電容并不會影響工作頻率和效率，但是通過減小LED上電壓上升的速率，會增加啟動時間.輸出電容越大，LED上的電流紋波越小.這里建議使用2.2 μF或者更大的電容.Co的耐壓值也必須大于輸入的峰值電壓.

3)輸出電感L1.這個電感用于維持輸出電流的恒定，電感值越大，輸出電流紋波越小，但是物理尺寸越大，串聯(lián)電阻越大.L1的有效電流(RMS current rating)需要大于最大輸出電流，飽和電流要比最大輸出電流高30%，為了提高效率，電感的串聯(lián)電阻(DCR)要小，應小于0.2 Ω.本設計選取的電感為47 μH.

4)續(xù)流二極管Do.因為SD42524是非同步的降壓型調節(jié)器，所以需要二極管在功率管截止的狀態(tài)下提供續(xù)流.由于肖特基二極管正向導通壓降小，反向續(xù)流時間短，所以一般用于續(xù)流.在功率管導通過程中，二極管要承受高壓，所以選擇的二極管反向耐壓必須大于輸入電壓.

5)采樣電阻Rs.LED的亮暗由輸出電流Iout大小決定，而Iout由Rs與其兩端電壓值決定.芯片的采樣電壓值VIN-VSENSE，即Rs端電壓為88 mV.采樣電阻Rs的大小決定了輸出的最大值電流，即最大亮度，實驗電路使用0.25 Ω15 W水泥電阻.

(1)

6)溫度補償電阻R2.隨著溫度的升高，白光LED所允許通過的最大電流降低，為了保護LED，需要在溫度升高時自動降低Iout.圖2所示的電路中，R2為負溫度系數(shù)(NTC)電阻，可以用于溫度補償.當溫度為室溫25℃時，R2上的分壓為1.22V，輸出電流為100%電流值，當R2檢測到發(fā)光LED附近的溫度高于室溫時，R2阻值降低，分壓VADJ降低到1.22 V以下，Iout按式(2)減小，從而保護發(fā)光二極管.VADJ為SD42524的TADJ管腳電壓.實驗電路所用的VDD為12V，R1的阻值取100K，NTC電阻R2取10KΩ(室溫).

(2)

1.2 電路工作原理分析

SD42524采用降壓型轉換器(Buck converter)電路架構驅動大功率LED.圖2中肖特基二極管D0、電感L1、負載LED和圖1所示SD42524內置功率管M1組成Buck電路模型.功率管M1的開關邏輯由SD42524來產(chǎn)生.

當圖1中的功率管M1導通時，SD42524的第1引腳SW為低電平，圖2中的二極管D0不導通，電流回路從電源開始，經(jīng)過Rs、負載LED、電感L1以及功率管M1再流回電源，電源在點亮LED的同時，也對電感儲能，簡化電路如圖3所示.當功率管M1截止時，因電感電流不能瞬間改變極性，二極管D0導通，通過電感L1、Rs以及輸出負載LED形成電流回路，此時電源VIN無法直接對輸出負載提供能量，改由電感上的儲能經(jīng)此封閉回路釋放能量，點亮LED，簡化電路如圖4所示.

圖3 功率管M1導通時，電路工作原理Fig. 3 Circuit principle of work when power transistor M1 is turned on

圖4 功率管M1截止時，電路工作原理Fig. 4 Circuit principle of work when power transistor M1 is turned off

PWM調光是LED驅動芯片SD42524的一個重要功能，主要是通過外接PWM信號，控制驅動芯片正常工作和關斷的時間，從而調節(jié)LED的平均電流大小.模擬調光是改變LED峰值電流大小，使其平均電流改變.相對于模擬調光，PWM調光不會產(chǎn)生色偏現(xiàn)象，而且調光比要大于模擬調光.

2 PWM信號發(fā)生電路

脈沖寬度調制(PWM)模塊在所設計的驅動電路中與SD42524一起實現(xiàn)LED亮度可調功能.通常在PWM中，有一個周期性矩形脈沖信號，保持其周期不變而改變脈沖的占空比可以改變信號的平均功率.用這樣的PWM信號去控制功率開關管即可實現(xiàn)LED照明電路的亮與滅，從而可以控制照明設備的平均功率，即實現(xiàn)亮度可調.當所用的PWM信號周期小于10 ms時，人眼由于視覺暫留特性是感覺不到光源閃爍的,因此，這個調光方案是可行的，并具有完全的實用性.

實現(xiàn)PWM信號可以用微處理器(MCU)，也可以使用小型可編程邏輯器件(CPLD)實現(xiàn).MCU面積小，價格低，但由于需要運行控制程序，因而可靠性要比純硬件發(fā)生邏輯低.通過軟件編程的形式配置后的CPLD是純硬件邏輯電路，由于其內部并無程序運行，所以可靠性較高.本設計采用MAXII系列的EPM240T100C5，MAXII系列器件還有內部振蕩器，該振蕩器是用戶閃存(UFM)的組成部分，能夠滿足很多設計對時鐘的需求，避免使用外部時鐘電路，減少元件數(shù)量，節(jié)省了電路板的面積，降低了系統(tǒng)總成本[5].圖5為由CPLD實現(xiàn)的PWM信號發(fā)生電路圖.

圖5中的OSC模塊和clk_gen模塊用于產(chǎn)生兩路頻率不同的時鐘信號.OSC模塊采用LPM(Library of Parameterized Modules參數(shù)可設置模塊庫)進行設計，調用mega_lpm庫中的圖形元件并修改相應參數(shù)即可.這個OSC選用EPM240T100C5內部用戶閃存振蕩器，輸出頻率3.3 MHz.clk_gen模塊對OSC輸出的3.3 MHz時鐘信號進行分頻，將得到3.3 KHz的信號作為pwm_gen模塊的時鐘源，進一步分頻得到的3.3 Hz信號作為duty_ cycle模塊的時鐘源.

圖5 CPLD實現(xiàn)的PWM信號發(fā)生電路Fig. 5 PWM signal generating circuit based on CPLD

兩路輸入up和down連接duty_cycle模塊.duty_cycle模塊包含4位二進制計數(shù)器，用于設置PWM信號的占空比，如果up或down有效，則提高或降低PWM信號的占空比，從而調節(jié)亮度.pwm_gen模塊中內部含有4位計數(shù)器COUNT以3.3 KHz頻率不停地計數(shù).該計數(shù)器的當前值和存儲在duty_cycle模塊的占空比參數(shù)進行比較，當前者小于后者時，PWM為高電平，否則為低電平.

SD42524要求輸入的PWM信號頻率在100 Hz～2 KHz之間，為了使人眼感覺不到閃爍，兼具較好的電磁兼容性，將PWM信號的頻率設定為200Hz.pwm_gen中COUNT為4位計數(shù)器，輸入時鐘為3.3 KHz，所以輸出的pwm頻率為200 Hz，滿足要求.

圖6為duty_cycle模塊的波形仿真圖.當up為低有效電平時，duty_cycle數(shù)值增大，即pwm的占空比增大，LED會變亮；當down為低有效電平時，duty_cycle變小，即pwm的占空比減小，LED會變暗；當up和down同時為低電平時，duty_cycle增大，即up的優(yōu)先級比down高；當up和down同時為高電平時，duty_cycle保持，即pwm的占空比不變，LED亮度不變.不難看出，該PWM信號的占空比有16檔，對應的LED亮度也有16檔，能夠滿足普通照明需求.

圖7為pwm_gen模塊的波形仿真圖.pwm_gev模塊時鐘信號clk頻率為3.3KHz，當duty_cycle信號為8時，pwm的占空比為50%，當duty_cycle信號為12時，pwm的占空比為75%，pwm的頻率都為200Hz.可見，由up和down兩個控制按鍵能夠隨意調節(jié)LED光源亮度.

圖6 duty_cycle模塊的波形仿真圖Fig. 6 Waveform simulation diagram of duty_cycle module

圖7 pwm_gen模塊的波形仿真圖Fig. 7 Waveform simulation diagram of pwm_gen module

3 結束語

國產(chǎn)芯片SD42524是降壓式恒流型LED驅動器，其最大輸出電流可達1A，而輸入電壓變化范圍為6～36 V；又知一般白光LED的正向電壓為3～4 V左右，如果按白光LED的正向電壓3.5V計算，該芯片最大可驅動10個串聯(lián)的350 mA的白光LED，功率達到10 W.實驗表明，所設計的驅動電路可以驅動10只美國普瑞1W白光LED，工作比較穩(wěn)定，且無明顯閃爍現(xiàn)象，完全滿足20 m2左右房間的照明需求.另外，由于EPM240T100C5具有80個I/O口，所以可以將多余的79個I/O用來向外擴展驅動其它SD42524，從而組合成近800 W的大型照明設備.該驅動電路具有性價比高、驅動能力強、應用范圍廣等特點.

[1] 沈勇.電流控制模式PWM白光LED驅動電路的研究與設計[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2010.

[2] 鄭曉東,郭維,朱大中.大功率照明白光LED恒流驅動芯片設計[J].固體電子學研究與進展,2009,29(1):122-125.

[3] 茅于海.LED的調光原理分析與設計實例[EB/OL]. [2011-11-12].http://www.cali-light.com/b2b/file/upload/201103/09/10-39-41-92-1.pdf.

[4] 杭州士蘭微電子股份有限公司.SD42524[EB/OL].[2012-05-06]. http://www. silan.com.cn/product/ProductItemDetail.aspx?id=18&pid=20090605104347633797954272923613&c=LED%e7%85%a7%e6%98%8e%e9%a9%b1%e5%8a%a8%e7%94%b5%e8%b7%af.

[5] Altera Corporation. Data Sheet EPM240T100C5[EB/OL].[2012-01-03].http://www.altera.com/literature/lit-max2.jsp.

TheDriverCircuitDesignforBrightnessAdjustableandHighPowerWhiteLED

ZHANG Huixi, AN Kang, Wang Qihui, HU Keyong

(Qiangjiang College, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310012, China)

The driver circuit for brightness adjustable and high power white LED was designed with chip SD42524. The circuit can drive 10 350 mA white LEDs in series connection, consume power up to 10W, and adjust the brightness of LED at will. The PWM signal which could adjust brightness was generated by chip EMP240T100C5, which had 80 I/O ports that could be easily extended. This driver circuit has the characteristics of high cost performance, high driving ability and wide range of application.

high power; LED; PWM

2013-03-12

杭州師范大學錢江學院科研基金項目(2012QJJL04).

張慧熙(1980—)，女，講師，碩士，主要從事集成電路設計、數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)采集和信號處理研究.E-mail：zhhuixi@126.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.05.009

TN312.8

A

1674-232X(2013)05-0429-04