中芯國際集成電路制造（天津）有限公司 趙 明

LED節(jié)能照明光源驅(qū)動電路設(shè)計

中芯國際集成電路制造（天津）有限公司 趙 明

LED節(jié)能照明光源以其工作穩(wěn)定、高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點，成為一種常用的綠色光源，應(yīng)用廣泛。本文設(shè)計了一套照明用的LED節(jié)能燈光源，能夠和現(xiàn)在常用的日光燈兼容，輸入220V的交流電，自帶驅(qū)動電源，達(dá)到其最佳的工作狀態(tài)。

LED節(jié)能照明光源；驅(qū)動電路；電路設(shè)計

1 LED驅(qū)動電路設(shè)計方案確定

LED電源驅(qū)動是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流用來驅(qū)動LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器，考慮到LED是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，在應(yīng)用過程中就需要對其進(jìn)行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護(hù)，從而產(chǎn)生了驅(qū)動的概念[1]。

根據(jù)LED光源的特性、驅(qū)動電源的效率轉(zhuǎn)換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容、散熱等問題，在設(shè)計的過程中就要注意LED驅(qū)動電路設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)碾娐?，合適的芯片和電子元器件，用來實現(xiàn)恒流驅(qū)動，要達(dá)到這些目的宜選用開關(guān)電源。開關(guān)電源被譽為高效節(jié)能電源，具有效率高、體積小、重量輕、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點，已經(jīng)成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。

選用開關(guān)電源，其電路比較復(fù)雜，其基本構(gòu)成大致分為五部分：①輸入整流濾波部分：包括從交流到輸入整流濾波器的電路。②功率開關(guān)管及高頻變壓器。③控制電路部分（PWM調(diào)制器），控制電路產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，其占空比受反饋電路影響。④輸出整流濾波部分。⑤反饋電路。除此之外，還需增加偏置電路、保護(hù)電路。其中，PWM調(diào)制器為開關(guān)電源的核心[2]。

2 LED驅(qū)動電路的分析

本設(shè)計我所使用的是開關(guān)電源（Switching Mode Power Supply，SMPS）為核心的LED驅(qū)動電路。其基本工作流程圖如圖1所示：

圖1 開關(guān)電源電路模塊圖

2.1 開關(guān)電源PWM調(diào)制器部分

本設(shè)計使用的開關(guān)電源型號的63813，部分電路如圖2所示：

圖2 LED驅(qū)動電路電源開關(guān)部分電路

其中：1管腳接地；2管腳接的是光耦合器的反饋信號，從輸出端取一個降壓，經(jīng)過光耦形成反饋信號，反饋信號經(jīng)過一個由RC組成的一個濾波回路，其目的是使輸出的反饋信號得到平滑的電壓；一般?。?/p>

其中R為負(fù)載阻抗，其阻值大小為R3=33Ω，T為輸入信號周期（0.02S），可得C ≥ 500nF，原則上電容值取的越大，輸出電壓越平滑，其紋波值越小，但是，隨著電容容量的增大，其體積也隨著增大，考慮到電路要安裝LED日光燈中，實際取C6=500nF；3管腳接的是一個電阻R2=75Ω，其目的是為63813提供一個恒定的電流，改變電阻阻值將改變PWM的頻率；4管腳是一個電流傳感端，其闕值電壓VFB=3.3V，并聯(lián)兩個電阻的目的是為了限流，使該端的電壓達(dá)到闕值使芯片停止輸出，實現(xiàn)過流保護(hù)，兩個電阻的阻值為：R6= R7=1Ω；5管腳的作用是為了63813提供內(nèi)部電壓VDD=10V，所接的是高壓變壓器，作用是將通過場效應(yīng)管SSW4N60A的300V斬波變換10V，為63813提供工作電壓；6管腳是PWM脈沖輸出端，接驅(qū)動功率開關(guān)，控制脈沖的輸出，同時輸出端接一個穩(wěn)壓二極管D7，其規(guī)格為10V，起穩(wěn)定電壓的作用，同時并聯(lián)一個電阻R5，其阻值R5=33Ω，其目的是限制電流，防止通過GATE端的電流I0大于20mA。而圖中穩(wěn)壓管D5是保證芯片兩端的電壓只有在VD5≤ 17V的時候，和穩(wěn)壓管VD8相互配合，保證63813的輸入電壓VDD在10V左右的范圍內(nèi)，保證芯片不被燒毀。

2.2 輸入濾波整流部分

輸入濾波整流分為兩個部分，第一部分為：LC濾波電路和橋式整流電路組成。其電路如圖3所示。

圖3 LED驅(qū)動電路輸入濾波整流電路

由電路圖可知其作用是將220V交流輸入經(jīng)過C1高頻濾波和電感L1，使輸入的正弦波頻率變的單一，起到過濾尖峰脈沖作用，得到的頻率單一的正弦波再經(jīng)過整流橋D1整流，使其輸出大約為300V的直流電壓。

F1為熔斷電阻器（Fusible Resistor），用于低壓電源的保險裝置。用可熔斷電阻器代替保險管的優(yōu)點是它在熔斷的時候不會產(chǎn)生電火花或煙霧，既安全又不造成干擾。熔斷電阻器的功率一般為0.25～3W，阻值從零點幾歐姆到幾十歐姆，在此處我選擇的是RFU=0.25Ω。

輸入濾波整流電路是由高頻濾波電容器C1與電感L1以及橋式整流器組成的，經(jīng)過橋式整流后輸出的電壓變?yōu)椋║0為輸入電壓）。其中L1= 200uH/630V。220V交流電先經(jīng)過LC回路后，得到的電壓再經(jīng)過橋式整流電路，使交流電變換為直流電。因為是全波整流，輸出的電壓U1=。其中整流橋是由4只整流管構(gòu)成的，本設(shè)計中所選取的是1N4007型1A/1000V硅整流管。這樣就使交流電壓經(jīng)過全波整流之后變成脈動直流電壓。

輸入濾波整流部分的第二部分電路如圖4所示：

圖4 LED驅(qū)動電路輸入濾波整流電路

這部分電路的作用是將整流后的電壓再經(jīng)過電解電容C2濾波，二極管D2、D3、D4和電解電容C3以及電阻R1來為電源開關(guān)芯片提供一個10V的啟動電壓。D2、D3、D4也是1N4007型1A/1000V硅整流管，也稱整流二極管。接3個整流二極管的目的就是為了讓輸出的電壓永遠(yuǎn)為正值或者是負(fù)值，也就是變成直流電。使從U1輸出地電壓經(jīng)過C2濾波，再經(jīng)過3個二極管，濾去剩余的交流電。 最后再加一個電容C3是起到濾波、平滑電壓的作用。得到300V的直流電后，要經(jīng)過一個R1=1MΩ的電阻，這個電阻的起到的是分壓，而電容C4則是為了提供補償電壓。R1的一端和開關(guān)電源63813的VDD端相連接，給63813提供一個10V的啟動電壓，使芯片可以正常的工作。而電容C4的作用，前期是進(jìn)行充電作用，當(dāng)芯片兩端的電壓低于啟動電壓的時候，電容C4就開始放電，使芯片兩端的電壓升高，達(dá)到啟動電壓10V，保證芯片的運行。這個時候穩(wěn)壓管D5用來限制電流和保護(hù)芯片63813，不被大的電流燒毀。

2.3 功率開關(guān)及高頻變壓器

功率開關(guān)及高頻電壓器電路如圖5所示。

圖5 功率開關(guān)及高頻電壓電路

如圖5所示，該部分電路的重點就是場效應(yīng)管SSW4N60A（MOSFET），也叫做MOSFET功率開關(guān)管。對于單片開關(guān)電源或開關(guān)穩(wěn)壓器而言，功率開關(guān)管集成在芯片內(nèi)部，使用脈寬調(diào)制（PWM）器構(gòu)成的電源開關(guān)，就必須選擇功率開關(guān)管。開關(guān)電源中使用的功率開關(guān)管主要有3種類型:BJT、MOSFET和IGBT?？紤]到功率開光管的導(dǎo)通壓降和開關(guān)速度與額定電壓的關(guān)系，在滿足額定電壓為實際工作電壓1.2～1.5倍的條件下，應(yīng)盡量選擇低壓功率開關(guān)管。本設(shè)計選擇的MOSFET功率開關(guān)管，用作同步整流。其損耗主要有兩種：導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是MOSFET在完全導(dǎo)通的時漏-源通態(tài)電阻Ron上的損耗。開關(guān)損耗是MOSFET在交替導(dǎo)通與截止時的功率損耗。此外還有柵極損耗，即由于MOSFET柵極電容充、放電而產(chǎn)生的損耗，但它出現(xiàn)在柵極電阻或驅(qū)動電路上。

本設(shè)計中所選取的MOSFET是N溝道耗盡型，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 N溝道耗盡型MOSFET

其中g(shù)：柵極，d：漏極，s：源極。其工作原理在柵源電壓為零時即當(dāng)UGS=0時，即形成溝道，在正的vDS作用下，也有較大的漏極電流iD由漏極流向源極。如果所加的柵源電壓vGS為負(fù)，則使溝道中感應(yīng)負(fù)電荷減少，從而使漏極電流減小。能使多數(shù)載流子流出溝道，因此“耗盡”了載流子，是管子轉(zhuǎn)向截止。其特點是：在vGS＞0時，由于絕緣層的存在，并不會產(chǎn)生PN結(jié)的正向電流，而是在溝道中感應(yīng)出更多的負(fù)電荷。在vGS作用下，iD將具有更大的數(shù)值。只要加上正向電壓vGS，就有電流iD。如果加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負(fù)時，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，溝道消失時的柵-源電壓稱為夾斷電壓。這種N溝道耗盡型MOSFET可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流。

用脈沖控制Q1（供應(yīng)場效應(yīng)管）對300V直流進(jìn)行斬波，得到的斬波電流經(jīng)過高壓變壓器進(jìn)行降壓，為芯片63813的啟動電壓VDD=10V。變壓器的規(guī)格確定：

再求導(dǎo)線的直徑：

由此，電磁線圈的規(guī)格、參數(shù)就可以得知。

功率開關(guān)及高頻電壓電流的工作過程：當(dāng)MOSEF的柵源電壓為零時即當(dāng)UGS=0時，即形成溝道，在正的vGS為正作用下，也有較大的漏極電流iD由漏極流向源極。此時就開始導(dǎo)電，對300V直流電進(jìn)行斬波。利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，利用通、斷時間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源。輸出的電壓為方波脈沖波（類似于正弦波）。之后再經(jīng)過一個高頻電壓器T1進(jìn)行降壓，使電壓將為10V的脈沖波形，控制63813脈寬調(diào)制器，脈寬調(diào)制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動信號，用此來控制功率開光管的通、斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

變壓器的副邊加了一個10V的穩(wěn)壓管D8和一個限流電阻R4。加穩(wěn)壓二極管是為了讓輸入芯片63213的電壓達(dá)到其所要求的啟動電壓，保護(hù)芯片作用。串聯(lián)一個限流電阻是因為穩(wěn)壓二極管的端電壓有一定范圍，穩(wěn)壓電路中的限流電阻與穩(wěn)壓二極管是串聯(lián)連接，它可以起到分壓作用，當(dāng)電壓偏大的時候，不至于使加在穩(wěn)壓二極管兩端的電壓值過大。所以就起到限制了流過穩(wěn)壓電路的電流不至于過大的作用，從而保護(hù)了穩(wěn)壓二極管不至于毀壞。而D9則是快速恢復(fù)二極管，當(dāng)二極管用做高頻整流等時，要求反向恢復(fù)時間很短，此時就需要快速恢復(fù)二極管。

2.4 輸出整流及反饋電路部分

其電路如圖7所示：

圖7 輸出整流及反饋電路部分

輸出部分工作過程為：斬波后得到的300V直流電，再經(jīng)過輸出濾波電容C5（C5是一個電解電容器，選用電解電容的目的：在電源電路中，整流電路將交流變成脈動的直流，而在整流電路之后接入一個較大容量地電解電容，利用其充放電特性，使整流后地脈動直流電壓變成相對比較穩(wěn)定地直流電壓。電解電容的阻值大小為），濾波后得到一個高壓的正弦交流電。再并聯(lián)一個大電阻，起到降低電壓的目的，降壓之后電流流過兩個并聯(lián)的電阻R8、R9（）。使LED-端的電壓將為204V，這時LED＋端的電壓為300V，導(dǎo)致了LED的兩端出現(xiàn)了96V的壓降，這96V的電壓就是提供LED光源正常工作時所需的額定電壓。LED節(jié)能燈光源的規(guī)格為電壓為2V，電流為50mA。其中是6個為一組，相互并聯(lián)。一共是46組，再串聯(lián)到一起，需要提供的工作電壓時，算上損失的功率，應(yīng)該提供100V左右的電壓。

電流傳輸比試光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時，他等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。有公式：

在光耦反饋式開關(guān)電源經(jīng)常采用線性光耦合器，因為線性光耦合器的CTR — IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號的時候，其交流電流傳輸比很接近直流電流傳輸比CTR值，因此它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。其選取原則為：（1）光耦合器的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是50%～200%。（2）推薦采用線性光耦合器件。

其工作過程為：光電耦合器的1端和電容C5相連，3端和LED-端相連，并且在3端串聯(lián)一個電阻R0，目的是起到分壓的作用，使1和3端出現(xiàn)一個壓降，當(dāng)有電流通過，讓發(fā)光器工作，受光器在接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出。流出的電流經(jīng)過C6、R3組成的RC回路。RC回路的作用，一是為了對感性器件在電流瞬變時的自感電動勢進(jìn)行鉗位，二是抑制電路中因dV / dt對器件所引起的沖擊，在感性負(fù)載中，開關(guān)器件關(guān)斷的瞬間，如果此時感性負(fù)載的磁通不為零，根據(jù)愣次定律便會產(chǎn)生一個自感電動勢，對外界放磁場儲能，一般都采用RC吸收回路，將這部份能量以熱能的方式消耗掉。之后的電壓進(jìn)入63813芯片的3管腳反饋輸入端，根據(jù)反饋回來的電壓來提供PWM調(diào)節(jié)信息，控制占空比，使輸出穩(wěn)定，來保障LED的正常穩(wěn)定的工作。

3 LED驅(qū)動方案的工作過程

LED驅(qū)動電路的部分電路的功能及作用在上一節(jié)已經(jīng)作了充分的分析，現(xiàn)在將各個部分組合起來，就形成了完整的LED驅(qū)動電路，如圖8所示。

圖8 LED驅(qū)動電路原理圖

電路的具體工作工程為：

（1）220V交流輸入，F(xiàn)1為保險絲，C1為高頻濾波電容，它和電感L1一起為了使輸入的正弦波頻率變單一，起到過濾尖峰脈沖作用。

（2）然后經(jīng)過整流橋整流和電解電容C2濾波后得到大約300Vde直流電。

（3）后面是由63813控制的開關(guān)變壓器。芯片前面的幾個二極管、電容和電阻的作用是通過 分壓和穩(wěn)壓來給芯片提供一個較穩(wěn)定的啟動電壓，芯片發(fā)出的脈沖波控制Q1對300V直流進(jìn)行斬波。然后經(jīng)過后續(xù)高壓變壓器進(jìn)行降壓，繼續(xù)給芯片提供一個控制電壓。

（4）輸出后的電源經(jīng)過C5濾波后得到一個高壓正弦波交流電，之后經(jīng)過幾個的電阻的分壓，得到需要的電壓來驅(qū)動LED。

（5）Y1是一個光電耦合器，作用是從輸出端取一個反饋信號回到63813，提供一個PWM調(diào)節(jié)信息，控制占空比，以保證輸出地穩(wěn)定。

4 LED驅(qū)動方案的實現(xiàn)

利用Protel 99SE軟件（計算機(jī)電路輔助設(shè)計軟件）將電路板的原理圖繪制出來，將所需的原理圖元件編輯好，將LED驅(qū)動的原理圖繪制好，連接好各個器件，注意接地部分，并且要封裝正確，生成好網(wǎng)絡(luò)表文件。

印制電路板的制作（PCB板的制作），規(guī)劃好電路板，再導(dǎo)入生成的網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝庫，再將元件進(jìn)行合理的布局，用布線命令進(jìn)行自動布線，使用手動布線進(jìn)行調(diào)整。完成PCB的制作，如圖9所示。

圖9 LED驅(qū)動印制電路板

其3D效果圖如圖10所示：

圖10 LED驅(qū)動印制電路板3D效果圖

在進(jìn)行元器件的焊接工作之后，分別進(jìn)行實驗圖像采集，首先進(jìn)行輸入波形的測量，發(fā)現(xiàn)正弦波的峰值被削去；然后進(jìn)行整流輸出的波形測量，觀察發(fā)現(xiàn)形成了單方性的全波脈動波形；當(dāng)交流電通過整流后變?yōu)閱畏叫缘闹绷麟姾?，再由場效?yīng)管進(jìn)行斬波的測量，發(fā)現(xiàn)開關(guān)電源通過控制占空比，進(jìn)行直流斬波，當(dāng)減小占空比時，斬波的輸出電壓也隨之減??；最后進(jìn)行驅(qū)動電路輸出波形的測量，從實驗波形圖可以看出：輸出的波形先是穩(wěn)定的，之后經(jīng)過一段調(diào)整期，再繼續(xù)穩(wěn)定輸出。出現(xiàn)這種情況的原因是：光耦將采集的電流反饋給開關(guān)電源IC，開關(guān)電源通過對占空比的調(diào)節(jié)對輸出的波形進(jìn)行控制，使輸出的波形繼續(xù)穩(wěn)定輸出。

5 結(jié)語

本文的主要工作是為LED光源設(shè)計一個驅(qū)動。該驅(qū)動是以開關(guān)電源63813為核心，利用時間比率控制（Time Ratio Control）的方法來控制穩(wěn)壓輸出的，其開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。工作原理是將220V交流電通過LC濾波電路和橋式整流電路輸出300V的直流電壓，用二極管、電容、電阻進(jìn)行分壓穩(wěn)壓給芯片提供一個啟動電壓，讓芯片發(fā)出控制脈沖，控制供應(yīng)場效應(yīng)管對300V直流進(jìn)行斬波，再通過后續(xù)變壓器進(jìn)行降壓，給芯片VDD提供10V電壓。最后輸出的電壓經(jīng)再經(jīng)過電容濾波，得到一個類似于正弦交流電驅(qū)動

LED。光耦再從輸出端去一個反饋信號回到63813，以保證輸出的穩(wěn)定。實現(xiàn)了LED的自動調(diào)節(jié)，使輸出電壓趨于穩(wěn)定，保證了LED節(jié)能照明光源的穩(wěn)定工作。

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表1 系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.1 System Parameters

未來在裝置設(shè)計中需注意幾項關(guān)鍵技術(shù)：一是太陽能的轉(zhuǎn)化效率問題，可通過選擇以單晶硅為原料制作太陽能板來提高其轉(zhuǎn)化效率；二是無線充電的傳輸距離及效率問題，可從增加中繼線圈和增大線圈半徑或匝數(shù)等方面來提高其傳輸效率和傳輸距離。

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趙懿琨（1981—），女，山西忻州人，博士，講師，研究方向：電力電子技術(shù)與新能源發(fā)電應(yīng)用。