黃劍平，沈漢鑫

(廈門理工學院光電與通信工程學院，福建廈門361024)

基于NCP3065的LED升壓驅(qū)動電路設(shè)計*

黃劍平*，沈漢鑫

(廈門理工學院光電與通信工程學院，福建廈門361024)

高效穩(wěn)定的恒流驅(qū)動電路是LED照明工程設(shè)計的關(guān)鍵之一。應(yīng)用新型驅(qū)動器件NCP3065設(shè)計了一款LED升壓恒流驅(qū)動電路。介紹了電路的工作原理和元件參數(shù)的詳細計算過程。所設(shè)計電路包含DC-DC升壓驅(qū)動部分和PWM調(diào)光部分，可以驅(qū)動5個1 W串聯(lián)的LED，驅(qū)動電壓達16 V，電流達350 mA。實測結(jié)果表明，電路整體效率高達87.5%，并且具有調(diào)光線性度好，性能穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點，適用于各種大功率LED的照明應(yīng)用。

LED照明;恒流;升壓驅(qū)動;PWM調(diào)光

目前，以高亮度LED為光源的綠色照明成為廣泛關(guān)注的熱點。與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，LED的出現(xiàn)使照明技術(shù)進入了固態(tài)照明的時代。LED具有高效率、低功耗、低電壓驅(qū)動、使用壽命長、安全環(huán)保、體積小等優(yōu)點［1-3］。要發(fā)揮 LED的這些優(yōu)點，需要有高效、穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動電路，這也成為LED照明系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵和難點。

1 LED的特性

LED是發(fā)光的半導(dǎo)體元件，核心是一個PN結(jié)，電流只能正向?qū)āＨ鐖D1所示，當對LED施加正向電壓時，N區(qū)的電子通過PN結(jié)注入P區(qū)，同樣P區(qū)的空穴也注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的部分載流子發(fā)生復(fù)合，能量以光子的形式釋放出來，使LED發(fā)光［8］。因此，載流子越多，即電流越大，釋放出的光子數(shù)也越多。有L=KI，其中，L為LED的發(fā)光亮度，I為LED正向工作電流，K為比例常數(shù)［7］。因此可通過控制LED的驅(qū)動電流來控制LED的亮度。

圖1 LED發(fā)光原理圖

LED的正向驅(qū)動電壓和電流呈指數(shù)關(guān)系，電流模型為:I(Vf)=I0ekVf，其中I為流過LED的電流，Vf為LED陽極和陰極間的正向電壓，k和 I0為常數(shù)［4］，如圖2所示。從圖2可以看出，當LED正向?qū)ê螅妷何⑿〉淖兓寄芤鸷艽蟮碾娏髯兓?，試圖通過控制LED電壓來控制LED的狀態(tài)并不可取，因此LED通常采用恒流電路來驅(qū)動。

圖2 LED電壓與電流的關(guān)系曲線

2 電路設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

輸入電壓為220V市電，要求驅(qū)動5個1 W的LED，串聯(lián)連接，每個LED的導(dǎo)通電壓約為3.2 V，驅(qū)動電流最大為350 mA，且要求亮度可調(diào)。

針對要求，5個LED串聯(lián)的導(dǎo)通電壓約為5× 3.2=16 V。這里考慮采用效率高、紋波電流小的升壓拓撲結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路。當后續(xù)如果需要增加LED的數(shù)量時，只需要修改電路的參數(shù)，而無需改變電路的拓撲結(jié)構(gòu)。從LED電壓與電流的關(guān)系圖上看出正向?qū)ǖ那€比較陡峭，直接通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)亮度比較困難，因此調(diào)光方式選用脈寬調(diào)制，即PWM調(diào)光的方法，即通過改變LED在單位周期時間內(nèi)的平均導(dǎo)通時間來調(diào)光。

2.2 NCP3065驅(qū)動芯片的特性

整個電路核心的LED驅(qū)動芯片選用安森美公司專用于LED照明驅(qū)動的NCP3065開關(guān)集成穩(wěn)壓芯片。該芯片的電壓輸入范圍大，可從3 V到40 V;電流反饋電壓僅為235 mV，能耗小;開關(guān)頻率最大可達250 kHz。它內(nèi)部集成了1.5 A的大功率達林頓驅(qū)動電路，無需外部驅(qū)動MOS管。該芯片還具有過熱保護功能，當工作溫度超過165℃時，內(nèi)部輸出功率管將被關(guān)斷，起到保護芯片的作用［5］。NCP3065芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中芯片的第1、2引腳連接內(nèi)部的達林頓功率管的C極和E極。第3腳外接定時電容，用于設(shè)定芯片工作時的開關(guān)振蕩頻率。第5腳一邊連接內(nèi)部235 mV比較器的負輸入端，一邊用于連接外部LED電流檢測電阻，使LED的驅(qū)動電流恒定在設(shè)定值。芯片第7引腳為峰值電流監(jiān)測端，當檢測到電源的峰值電流超過設(shè)定值時，芯片將關(guān)斷內(nèi)部達林頓管的輸出，起到保護工作電路的作用。

圖3 NCP3065芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 LED驅(qū)動電路設(shè)計

整個電路的供電部分如圖4所示。220 V的市電通過隔離變壓器降壓得到約為9 V的交流電，通過4個二極管組成的橋式整流電路和220 μF大電容的濾波得到直流電流作為整個驅(qū)動電路的供電電源，這時輸出約為直流10.8 V。

圖4 輸入橋式整流電路圖

LED升壓驅(qū)動電路圖如圖5所示。電感L1、二極管D1和輸出電容C4、C5組成升壓電路，驅(qū)動5個串聯(lián)的LED。二極管D1選用大電流、低功耗、反向恢復(fù)時間短、正向?qū)妷簝H為0.6 V的肖特基二極管MBRS140LT3。其平均工作電流達到1 A，峰值電流可達到2 A，滿足設(shè)計要求。由于電路為升壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)，為了防止若有LED出現(xiàn)斷路，二極管D1繼續(xù)給輸出電容充電，造成輸出電壓持續(xù)升高，而可能損壞電容元件，在LED的輸出端并聯(lián)了一個22 V齊納二極管，在LED發(fā)生故障時通過22 V齊納二極管來鉗位輸出電壓。升壓電路工作時的開關(guān)頻率通過與芯片第3腳連接的C6設(shè)置。這里C6取值2.2 nF，設(shè)置振蕩頻率約為150 kHz。LED的工作電流通過與之串聯(lián)的電阻R10檢測，LED驅(qū)動電流在R10上產(chǎn)生的壓降反饋到NCP3065芯片第5腳的COMP端。反饋電壓與芯片內(nèi)部235 mV基準電壓進行比較，比較器的輸出通過芯片內(nèi)部的RS觸發(fā)器微調(diào)輸出達林頓管的導(dǎo)通周期，從而使LED的驅(qū)動電流穩(wěn)定在設(shè)定值。電流檢測電阻R10的取值為235 mV÷350 mA=0.671 Ω，這里取與之阻值最接近的標準電阻0.665 Ω。

圖5 LED升壓驅(qū)動電路圖

峰值電流檢測電阻連接電源輸入端與芯片第6引腳Ipk端。由于檢測電流較大，檢測電阻由6個電阻并聯(lián)以分擔總電流。當電源電流超過設(shè)定值時，電流檢測電阻上的壓降增大到超過芯片內(nèi)部比較器的基準值，內(nèi)部比較器將內(nèi)部RS觸發(fā)器置位，使輸出達林頓管截止，及時關(guān)斷LED驅(qū)動電流，從而保護整個電路不被大電流損壞。

2.4 PWM調(diào)光電路設(shè)計

通過NCP3065芯片Ipk峰值電流檢測端的功能可以巧妙地實現(xiàn)PWM調(diào)光。如圖5所示，將一個開關(guān)三極管的集電極與芯片的Ipk端連接，三極管的發(fā)射極接地，三極管的基極輸入PWM信號。當開關(guān)三極管的基極輸入PWM信號的低電平時，三極管截止，NCP3065驅(qū)動芯片正常工作;當三極管的基極輸入PWM信號的高電平時，三極管導(dǎo)通，Ipk端的電壓被強制拉低，與之相連接的內(nèi)部比較器輸出高電平信號使芯片的內(nèi)部的RS觸發(fā)器置位，從而強制關(guān)斷輸出功率管，這時LED沒有電流流過。通過調(diào)節(jié)PWM高低電平信號的占空比就能實現(xiàn)LED的調(diào)光功能。

圖6 PWM信號發(fā)生電路

使用通用定時芯片NE555產(chǎn)生PWM調(diào)光信號。電路如圖6所示，電阻R11、R12和電容C8組成RC充放電電路。電容C8的電壓將在555芯片2個內(nèi)部比較器的基準電平之間反復(fù)振蕩。從芯片的第3引腳將輸出高低電平的方波。由于接入了D3和 D4兩個二極管，電容C8的充電電流和放電電流將流經(jīng)不同的路徑。通過調(diào)節(jié)變阻器R12的阻值，可以調(diào)整電容C8的充、放電時間常數(shù)，從而調(diào)整555輸出方波的高電平和低電平時長，即調(diào)整波形的占空比。由于電容充電和放電流過的電阻總阻值不變?yōu)?R11+R12，因此電路充放電的總時間長度不變，為T=(R11+R12)·C8·ln2［6］。

PWM波形的頻率選取需要折衷考慮2個方面。若頻率太低，則人眼會感覺到燈光閃爍;頻率太高，則會對電路產(chǎn)生EMI干擾。NCP3065芯片說明書建議調(diào)光頻率選擇在200 Hz～1 kHz。這里選擇R11=1 kΩ，R12=50 kΩ，電容C8=0.1 μF，則PWM信號頻率為f=1/(R11+R12)·C8·ln2=282.9 Hz，滿足上述要求。

3 實驗測量

對設(shè)計的電路進行測量，當驅(qū)動電流100%輸出時，測量得到LED驅(qū)動電路輸入電壓為10.8 V，輸入電流為586 mA，LED串兩端的輸出電壓為16.11 V，流過LED的電流344 mA，計算得到該驅(qū)動電路的工作效率為:87.6%。用示波器觀測LED的輸出端的紋波電壓幅度約為:500 mV，約占輸出平均電壓的3.1%。

測試PWM調(diào)光信號的占空比與輸出電流的關(guān)系如圖7所示，因為當PWM信號為高電平時開關(guān)三極管導(dǎo)通，NCP3065關(guān)斷電流輸出，所以PWM信號的占空比與輸出電流呈反比關(guān)系。從圖上看出，PWM信號的占空比與LED的平均驅(qū)動電流基本呈線性關(guān)系，PWM調(diào)光的線性度良好。

圖7 PWM輸出占空比與輸出平均電流關(guān)系圖

4 結(jié)束語

本文介紹了基于NCP3065芯片的LED升壓驅(qū)動電路設(shè)計，包括:升壓電路、PWM調(diào)光電路和相關(guān)保護電路等。并對該電路的工作參數(shù)進行測量。結(jié)果表明該電路達到設(shè)計指標的要求，能夠穩(wěn)定驅(qū)動5個串聯(lián)的1瓦LED，并有較高的效率和很好的PWM調(diào)光線性度。該電路具有故障保護功能，當外部電路出現(xiàn)電流過大或溫度過熱時，NCP3065芯片能夠及時關(guān)斷內(nèi)部功率管的輸出，起到保護整個電路的作用。本電路經(jīng)過適當改進，可用于惡劣的環(huán)境如戶外照明、建筑物照明、汽車照明等領(lǐng)域。

［1］ 李慧，吳建德，鄧焰，等.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動LM3409HV的LED調(diào)光系統(tǒng)［J］.照明工程學報，2011(8):46-49.

［2］ 龍興明，周靜.基于SA7527的LED照明驅(qū)動電源的研制［J］.電子器件，2007(3):904-907.

［3］ 王延宇，郭維，朱大中.大功率白光LED驅(qū)動電路的雙環(huán)檢測辦法［J］.傳感技術(shù)學報，2010(4):485-489.

［4］ Pierret，Robert F.Semiconductor Device Fundamentals［M］.Addison Wesley，1996:361-362.

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［7］ NCP3065芯片資料［EB/OL］.http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=NCP3065.

［8］ 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006: 352-355.

黃劍平(1981- )，男，漢族，碩士，實驗師，福建廈門人，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計研究，arrowhuang@163.com;

沈漢鑫(1966- )，男，漢族，博士，副教授，福建龍巖人，主要從事電子材料及光電技術(shù)研究工作，2010111001@xmut. edu.cn。

Design of LED Boost Driver Circuit Based on NCP3065*

HUANG Jianping*，SHEN Hanxin

(Department of Photoelectricity and Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamnen Fujian 361024，China)

An effective and stable constant current driving circuit is one of the keys of LED lighting design.A boost circuit used NCP3065 chip is designed.The principle how to work the circuit and detail the calculation process of the elements’parameters is introduced.The circuit includes a DC-DC boost driving part and a PWM dimming part.The circuit can drive five 1 W LEDs connected in series，and its driving voltage is 16 V，driving current 350 mA.The test result shows that the efficiency of the circuit is 87.5%，good linearity and stable，suitable for high power LED lighting applications.

LED lighting;constant current;boost drive;PWM dimming

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.016

TN432

A

1005－9490(2014)02－0245－04

項目來源:福建省科技廳科學計劃項目(2012J01238);廈門理工科研基金項目(XKJJ201103)

2013-05-24修改日期:2013-06-17

EEACC:1200;4200D