呂詩如，屈子琦，胡正國

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于HV9910的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

呂詩如，屈子琦，胡正國

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

通過對LED發(fā)光原理分析，了解驅(qū)動(dòng)電路的基本要求，以HV9910作為控制芯片，設(shè)計(jì)一種高效節(jié)能的LED驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)基于該芯片的電路方案，通過理論計(jì)算，確定各元器件選型，最后對驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行通電測試。測試結(jié)果表明：在電壓波動(dòng)及負(fù)載變化的情況下，驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載端電流基本保持穩(wěn)定；驅(qū)動(dòng)電路能夠?yàn)長ED工作提供一個(gè)穩(wěn)定電流，電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)合理，可靠性高，基本滿足要求。

HV9910；LED照明；驅(qū)動(dòng)電路

0 引言

近年來，照明用電在全國用電總量中的占比不斷增大，推廣使用高效照明產(chǎn)品意義重大。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LED作為第四代光源，因其具有工作電壓低、耗電量小、發(fā)光效率高、壽命長等特點(diǎn)[1]，逐漸成為節(jié)能照明領(lǐng)域的主流。最初因其成本相對傳統(tǒng)照明燈具較高，且單個(gè)功率較小，應(yīng)用范圍較小。伴隨行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，LED照明燈具的缺點(diǎn)逐漸被改善，發(fā)光效率及單個(gè)功率逐步提高。

在LED照明燈具中，發(fā)光二極管是發(fā)光器件，而驅(qū)動(dòng)電路是保證發(fā)光二極管能夠正常發(fā)光的關(guān)鍵。為了使LED能高效節(jié)能地工作，對其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。目前LED驅(qū)動(dòng)器按其供電形式分為DC/DC和AC/DC兩種。DC/DC驅(qū)動(dòng)器一般用于直流穩(wěn)壓電源供電場所，而AC/DC驅(qū)動(dòng)器一般用于市電直接供電場所。DC/DC驅(qū)動(dòng)器一般采用電容式電荷泵電路和電感式DC/DC電路的方法實(shí)現(xiàn)，AC/DC驅(qū)動(dòng)器主要采用工頻變壓、電容降壓及Buck電路降壓設(shè)計(jì)[2-3]。本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器用于家庭及裝飾照明，其電源是由市電供給。

在滿足各項(xiàng)要求的條件下，本文設(shè)計(jì)了一種基于HV9910的Buck電路為LED提供恒定電流驅(qū)動(dòng)。該電路利用HV9910芯片輸出的PWM波對MOS管門極進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)PWM波形占空比，從而間接控制輸出電流值。該電路能夠?qū)敵鲭娏鲗?shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的控制即實(shí)現(xiàn)LED的恒流驅(qū)動(dòng)，還能添加簡單的外圍電路。

1 LED發(fā)光原理及驅(qū)動(dòng)要求

LED即發(fā)光二極管，是一種由PN結(jié)發(fā)生正向偏置而發(fā)光的半導(dǎo)體器件，屬于電流型器件[4]。其工作電壓一般較低，工作狀態(tài)受電流影響較大。若要保證LED正常工作，則需在LED上通入恒定電流，即LED工作在額定電流條件下。圖1為發(fā)光二極管VI特性圖。當(dāng)電壓小于2.3 V時(shí)，電流近似為零，LED不發(fā)光；當(dāng)電壓大于2.3 V時(shí)，正向電流急劇增大，使LED發(fā)光。

圖1 發(fā)光二極管V-I特性圖Fig. 1 V-Icharacteristic figure for light-emitting diodes

通常LED的單個(gè)功率較小，因此，采用多個(gè)LED串并聯(lián)的形式組成LED模塊。若采用恒壓驅(qū)動(dòng)，由于制作工藝問題不能保證每個(gè)發(fā)光二極管的參數(shù)均相同，勢必會(huì)造成各個(gè)LED通過的電流不同，導(dǎo)致發(fā)光亮度不同[5]。

LED的極限功耗為LED兩端電壓與通入電流之積的最大值，一般要求LED的功耗小于LED的極限功耗。若LED的功耗大于LED的極限功耗，則會(huì)造成LED燒壞。在LED正常發(fā)光情況下，當(dāng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流激變，容易出現(xiàn)功耗大于極限功耗[6]。為此要求LED驅(qū)動(dòng)電路能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的工作電流。

根據(jù)LED工作特性，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路需滿足下列要求。

1）盡可能保證輸出電流恒定，且能夠承受外部電壓波動(dòng)沖擊，以提高電路可靠性。

2）盡可能減少電路功耗，以提高電源轉(zhuǎn)換效率。

3）在不損失電路性能的情況下，簡化電路結(jié)構(gòu)，以降低其體積及成本。

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 控制芯片介紹

HV9910是一種高效LED驅(qū)動(dòng)控制芯片[7]，其輸入端電壓可在DC 8～450 V之間變化，內(nèi)部采用開環(huán)控制方式，可以對輸出電流實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的控制，添加較簡單的外圍電路，即可實(shí)現(xiàn)對所需LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于芯片帶有調(diào)光引腳，所以能夠根據(jù)實(shí)際情況對所需輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖2是芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)輸入電壓VIN大于8 V時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器提供恒定的7.5 V電壓供芯片工作。2個(gè)電壓比較器：一個(gè)是將采樣端CS反饋電壓值與基準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較；另一個(gè)是將采樣端CS反饋電壓值與LD線性調(diào)光引腳輸入的電壓值進(jìn)行比較。2個(gè)電壓比較器的輸出信號(hào)通過RS鎖存器對GATE端輸出電平進(jìn)行控制，從而驅(qū)動(dòng)外接MOS管達(dá)到控制輸出電流的目的。ROSC端通過外接一個(gè)振蕩電阻來設(shè)定開關(guān)頻率，PWM引腳用于外接一個(gè)PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)光。

圖2 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 An internal structure diagram of chips

2.2 LED驅(qū)動(dòng)工作原理

LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。外部電網(wǎng)電壓經(jīng)整流橋堆、濾波電路之后，轉(zhuǎn)換成直流電傳送到芯片電壓輸入端，為芯片提供電壓。

HV9910通過一個(gè)線性調(diào)光器LD來改變電流采樣比較器的電流限制閾值[8]。當(dāng)芯片正常工作即VIN大于8 V時(shí)，VDD引腳等于芯片內(nèi)部的7.5 V電壓。此時(shí)GATE端輸出高電平，使外部MOS管導(dǎo)通，形成回路，外部輸入電壓對電感進(jìn)行儲(chǔ)能，同時(shí)為負(fù)載供電。

在LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，MOS管的開斷和采樣電路的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，外部電源向LED供電；當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能電感向LED供電。在采樣電路中，HV9910芯片通過采樣端CS接到MOS管的源極電阻，有效地保證了采樣端CS對MOS管的信號(hào)輸送，并通過采樣電阻Rcs將負(fù)載電流信號(hào)變成電壓信號(hào)，反饋至主控制芯片[9-10]，基準(zhǔn)電壓250 mV與參考電壓在電壓比較器中進(jìn)行比較。若參考電壓大于250 mV，輸出高電平，經(jīng)邏輯電路，GATE端也輸出高電平，此時(shí)VGS>0且大于開啟電壓VGS(th)，MOS管繼續(xù)導(dǎo)通；若參考電壓小于250 mV，GATE端輸出低電平，電路斷開，負(fù)載依靠電感供電，回路中電流逐漸降低，當(dāng)降到一定值時(shí)，采樣電阻流過的電流形成電壓降，通過采樣端CS反饋到電壓比較器，最終使芯片的GATE端繼續(xù)輸出高電平，使MOS管導(dǎo)通。

同時(shí)，VDD端電壓恒定為7.5 V，在其與地之間串接電阻，將LD端連接至電阻串上。通過改變LD端反饋到芯片的電壓值可以改變另一個(gè)電壓比較器的參考電壓，再與采樣端CS電壓值進(jìn)行比較，從而對輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

通過HV9910芯片來控制各個(gè)引腳的開通與關(guān)斷，從而達(dá)到輸出電流恒定的效果。而控制芯片的工作原理及實(shí)質(zhì)就是在芯片的GATE端輸出一系列的PWM波形，利用輸出的PWM波對MOS管門極進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)PWM波形占空比可以間接調(diào)節(jié)輸出電流值。

圖3 電路原理圖Fig. 3 Circuit schematic diagram

2.3 電路元器件選取計(jì)算

本文選用10個(gè)1 W的LED串聯(lián)組成負(fù)載，接在LED驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載端。由于該負(fù)載的功率未超過25 W，暫不考慮功率因數(shù)校正。首先設(shè)置頻率振蕩器的頻率即MOS管開關(guān)信號(hào)頻率[11]，振蕩頻率根據(jù)需要可通過改變振蕩電阻阻值設(shè)置，在此選用其參數(shù)的典型值fosc=125 kHz，Rosc=1 M。為方便元器件計(jì)算選型，給出驅(qū)動(dòng)電路的輸入輸出參數(shù)如下：輸入端交流電壓在165～265 V之間變化；電源頻率為工頻50 Hz，負(fù)載輸出直流電壓范圍在4～20 V之間；由于1 W的大功率LED順向電流為350 mA[12]，故設(shè)定驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流為350 mA。

2.3.1 整流橋和濾波電容選取

二極管電壓等級(jí)取決于輸入電壓最大值，而電流等級(jí)取決于整流器中最大平均電流的升降。

式（1）～（3）中：Vbridge為整流橋的電壓值；

VMAX,ac為輸入交流電壓最大值；

Ibridge為整流橋的電流值；

VMAX,O為輸出電壓最大值；

IMAX,O為輸出電流最大值；

VMIN,dc為整流電壓最小值；

RCOLD為熱敏電阻阻值。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選取KBP307作為整流橋，將交流電變換成直流為芯片供電。

在整流橋堆的輸出端并聯(lián)電容器來進(jìn)行濾波，且輸出端電容器應(yīng)該承受超出10%～12%安全波動(dòng)范圍下的輸入尖峰電流[13-14]。電容的計(jì)算公式為：

式（4）～（7）中：VMAX,cap為電容器的電壓值；

C1為整流電路的濾波電容值，單位為μF；freq為50 Hz的頻率；

C2為整流電路的電解電容值，單位為μF；fs為采樣頻率。

通過計(jì)算，整流部分的濾波電容C1選取3 μF/ 375 V的電解電容；濾波電容C2選取17.5μ F/375 V的電解電容。

2.3.2 MOSFET和續(xù)流二極管選取

在MOS管降壓電路中，加在其兩端的峰值電壓，即為整流橋輸出端電壓最大值?？紤]到安全裕度，場效應(yīng)管的額定電壓VFET與額定電流IFET計(jì)算如下：

在實(shí)際中，場效應(yīng)管中通過的電流一般為額定電流的3倍。綜合上述計(jì)算結(jié)果，本文選用最大耐壓500 V、最大電流5 A的IRF840作為驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)管。

續(xù)流二極管在MOS管導(dǎo)通時(shí)截止，其兩端承受的峰值電壓應(yīng)等于場效應(yīng)管峰值電壓。故選取最大反向耐壓值500 V、平均電流1 A的快恢復(fù)二極管BYV26C進(jìn)行續(xù)流。

式（10）～（11）中：Vdiode為續(xù)流二極管電壓；

Idiode為續(xù)流二極管電流。

2.3.3 電感L1計(jì)算

輸出負(fù)載端串聯(lián)一個(gè)電感，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)為其充電儲(chǔ)能，關(guān)斷時(shí)為負(fù)載供應(yīng)能量，因此電感取決于LED的脈動(dòng)電流[15-16]。電感L1以及電感的尖峰電流Ip為：

式（12）～（13）中Vac,nom為正常輸入電壓值。

2.3.4 采樣電阻計(jì)算

為保證輸出電流恒定，需將通過負(fù)載的電流反饋至控制端。在采樣電路中，將采樣端的電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)電壓比較器進(jìn)行比較，最后通過RS鎖存器對門極開關(guān)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷。因此，采樣端電阻尤為重要，即

在控制電路中，需要通過LD引腳對輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此在線性電源VDD和線性調(diào)光器LD之間設(shè)置分壓電路。分壓值為

式（15）～（16）中VDD為線性電源的電壓。

為了更好地抑制諧波的產(chǎn)生，在負(fù)載端設(shè)置1個(gè)10μ F/50 V的電解電容濾除低頻；在線性電源VDD端并接1個(gè)電解電容和1個(gè)無極性電容，分別用于濾除高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，一般選取值為0.1～0.2 μ F。

根據(jù)以上選取的元器件進(jìn)行繪圖制板，實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 實(shí)物正面圖圖Fig. 4 Physical map of the obverse side of the circuit

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

驅(qū)動(dòng)電路的電源端接1個(gè)可調(diào)交流電源，輸入電壓在165～265 V之間，負(fù)載端接功率電阻，利用相關(guān)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量。第一組實(shí)驗(yàn)是改變輸入電壓，測試輸出電流是否穩(wěn)定；第二組實(shí)驗(yàn)是固定輸入電壓并調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓，測試輸出電流是否穩(wěn)定；第三組實(shí)驗(yàn)是實(shí)測電感波形。

1）通入相應(yīng)的輸出交流電壓以及調(diào)試采樣端電阻來控制輸出直流電流穩(wěn)定在350 mA。將輸入端的交流電壓控制在165～265 V的范圍內(nèi)，從165 V開始，5 V為一個(gè)步長，依次進(jìn)行遞增。輸出電壓為12 V時(shí)，測得輸出電流如表1所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，輸入電壓與輸出電流的變化曲線如圖5所示。

表1 輸入電壓和輸出電流比較Table 1 Comparison chart of the input voltage and output current

圖5 輸出電流變化曲線圖Fig. 5 A curve graph for the output current change

由表1和圖5可知，輸出電流在350～354 mA內(nèi)波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定。

2）輸入電壓為220 V，調(diào)整負(fù)載輸出端電壓從4～20 V變化，負(fù)載輸出端電壓從4 V開始，以4 V依次進(jìn)行遞增，測得電流值如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，負(fù)載輸出端電壓與輸出電流之間的變化曲線如圖6所示。由表2和圖6可知，輸出電流在348～352 mA波動(dòng)，并趨于穩(wěn)定。

表2 輸入電壓為220 V時(shí)，輸出電流測試結(jié)果表Table 2 Test results of the output current with 220 V its input voltage

圖6 輸入電壓為220 V時(shí)，輸出電流變化曲線圖Fig. 6 An output current change curve with its input voltage being 220 V

3）對LED恒流源輸出端進(jìn)行測試，示波器測得電感波形為鋸齒波，如圖7所示。由圖7可知，在波形上升階段，開關(guān)管導(dǎo)通，電感充電儲(chǔ)能；在波形下降階段，開關(guān)管關(guān)斷，電感為負(fù)載提供能量，導(dǎo)致波形下降。由此可間接看出波形上升階段即對應(yīng)PWM波形的高電平。

圖7 實(shí)測電感波形Fig. 7 Measured inductive waveform

4 結(jié)語

通過對LED發(fā)光特性分析，了解其發(fā)光條件，進(jìn)一步明確了LED對驅(qū)動(dòng)電路的要求。本文選用高效的LED驅(qū)動(dòng)控制芯片HV9910設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。先分析控制芯片HV9910的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，并設(shè)計(jì)了簡單的外圍電路，使芯片能為LED提供一個(gè)穩(wěn)定的工作電流。對于電路元器件的選取作了詳細(xì)介紹，最后進(jìn)行了實(shí)物測試。通過對測試數(shù)據(jù)的分析可知：當(dāng)輸入電壓波動(dòng)時(shí)，輸出電流能夠穩(wěn)定輸出；當(dāng)固定輸入電壓，使負(fù)載端電壓變化，即負(fù)載改變時(shí)，輸出電流也基本保持不變。

測試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路滿足要求。驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單，需要的元器件較少。在不損失性能的前提下，降低了成本，提高了電路可靠性。

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（責(zé)任編輯： 鄧 彬）

A Design of LED Drive Circuit Based on HV9910

Based on an analysis of the principle of LED luminosity, and an understanding of the the basic requirements of the drive circuit, a highly-efficient and energy-saving LED driving circuit has been proposed with HV9910 as its control chip. With its design based on the circuit scheme of the chip, the components selection is to be determined through a theoretical calculation, followed by a power-on test of the drive circuit. The test results show that under the condition of voltage fluctuation and load change, the load current of the drive circuit is basically stable, guaranteeing a stable work current for the LED operation, and thus meeting the basic requirements with its simple circuit structure, professional design, and high reliability in the newly designed driving circuit.

HV9910； LED lighting； driver circuit

TN312+.8

A

1673-9833(2016)06-0023-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.06.005

2016-09-28

呂詩如（1994-），女，湖南婁底人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏W(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用，E-mail：512937214@qq.com