基于PWM開關(guān)控制的白光LED大功率驅(qū)動電路設(shè)計

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、固體照明不易損壞、高光效、無汞環(huán)保、抗震等優(yōu)點，未來將成為第三代光源，將帶來照明領(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)動電源，文中利用PWM 開關(guān)控制方式設(shè)計實現(xiàn)了一種白光LED 的大功率驅(qū)動電路。

1 LED 電氣特性和驅(qū)動要求

1. 1 LED 的電學(xué)特性

白光LED 的I - V 特性與普通二極管類似，只是開啟電壓不同，不同材料制備的LED 開啟電壓一般在1. 5 ~ 3. 0 V 之間。處于正向工作區(qū)時，工作電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系：

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 可長期穩(wěn)定工作時的直流電流，稱為額定工作電流，此時LED 壓降稱為額定電壓。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)實際功耗超過該值時，LED 發(fā)光特性變差，嚴(yán)重時會使LED 產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。

1. 2 LED 驅(qū)動要求

由LED 的I - V 特性可知，當(dāng)加在LED 兩端的電壓稍有波動，都會引起電流的劇烈變化，此時很容易使電流過大，輸入功率超過其極限功耗，從而對LED造成不可恢復(fù)的損壞。當(dāng)LED 工作電流值不同時，其發(fā)光強(qiáng)度也不同，若采用恒壓驅(qū)動，則LED 陣列應(yīng)采用并聯(lián)方式連接，但是由于LED 個體之間的參數(shù)誤差，會導(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)動電路一般選擇恒流驅(qū)動模式，相應(yīng)的LED 陣列亦采用串聯(lián)方式連接，驅(qū)動電流一般設(shè)為LED 額定電流的70% ~ 85%，以保護(hù)LED，達(dá)到延長使用壽命的目的，同時也使每個LED的發(fā)光強(qiáng)度均勻一致。

LED 驅(qū)動電路設(shè)計中，需要考慮以下幾個基本指標(biāo)：

（1） 提高驅(qū)動電路的轉(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，具有過流檢測功能。

（ 3） 電路盡量精簡，有較小的電路體積和較低的制造成本。

2 PWM 方式開關(guān)電路設(shè)計

2. 1 PWM 原理

PWM 即脈沖寬度調(diào)制，利用脈沖控制開關(guān)電路的開關(guān)時間，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被控信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開關(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% 。該類電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。PWM 開關(guān)電路由4 部分組成，即輸入整流濾波、PWM 控制、開關(guān)器件和輸出濾波。根據(jù)PWM 方式開關(guān)電路設(shè)計的LED 驅(qū)動電路框圖如圖1 所示。

圖1 PWM 方式開關(guān)電路設(shè)計的LED 驅(qū)動電路框圖

常見PWM 開關(guān)控制信號產(chǎn)生部分大都實現(xiàn)了集成化，更加精簡PWM 開關(guān)電源的設(shè)計，下面介紹利用芯片HV9910B 設(shè)計適用于大功率LED 的典型PWM方式開關(guān)驅(qū)動電路。

2. 2 電路設(shè)計

HV9910B 是一種通用LED 驅(qū)動控制器，它的適應(yīng)性強(qiáng)，即可使用國際通用的市電供電，也可以用蓄電池或者太陽能供電，而且能夠接受范圍較寬的輸入電壓。輸出的恒流驅(qū)動電流范圍極寬，從幾十mA 到1 A以上。使用HV9910B 搭建的驅(qū)動器使用器件較少，電路簡單，生產(chǎn)成本也會降低。由HV9910B 設(shè)計的LED 恒流驅(qū)動電路如圖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)動電路

電路輸入級由全波整流橋和一個濾波電容組成，完成對交流電的整流濾波?？刂萍売蒆V9910B 芯片搭建，經(jīng)輸入級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310 V，均值為190 V.VDD、LD、PWMD 端通過電容器接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作為開關(guān)信號控制開關(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 電流信號控制。電感L1在電路中起著至關(guān)重要的作用，為驅(qū)動電路提供濾波和儲能以及續(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。在開關(guān)信號開通半周內(nèi)，由前級濾波后的電勢向LED 負(fù)載直接供電，并給L1充電； 在開關(guān)信號關(guān)斷半周內(nèi)，由充滿能量的L1給快恢復(fù)二極管、LED 組成的回路供能，實現(xiàn)在一個周期內(nèi)完成對LED 的持續(xù)驅(qū)動。

2. 2. 1 電路參數(shù)計算和器件選擇

參考芯片的使用手冊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 引腳輸出的開關(guān)信號頻率。該頻率的選擇與電感L 值和開關(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。當(dāng)選擇過高頻率時，需要的電感值較小，但對開關(guān)管的要求很高，此時開關(guān)管功耗比低頻工作時大很多。試驗中，先設(shè)置到100 kHz開關(guān)頻率，在沒有散熱的情況下MOSFET 發(fā)熱量大，極易燒毀。當(dāng)頻率設(shè)置到26 kHz 時，計算所得電感很大，在工作狀態(tài)中電感上消耗過多能量，也不適合電路的高效率工作，所以開關(guān)工作頻率選50 kHz。

LED 的驅(qū)動電流設(shè)定為0. 35 A，根據(jù)芯片手冊中提供的計算公式可得到RT值為478 kΩ，在設(shè)計允許范圍內(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，電感值的計算公式為：

電路驅(qū)動了10 個LED，其VLEDS為33 V，Vin是經(jīng)過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現(xiàn)電壓濾波，C2在4. 7 ~ 33 μF 的電容中選取，前級的濾波電容C0選擇4. 7 ~ 33 μF 的極性電容，電容C1使用2. 2 μF 無極性電容。全波整流橋要求有高耐壓和大的過電流，電路中選取DB206S，可耐脈沖高壓800 V，浪涌電流2 A，滿足電路設(shè)計要求。

2. 2. 2 電路效率理論計算參考

整個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)公式和特定型號的原件參數(shù)，可以計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%.

從效率理論計算結(jié)果來看，該設(shè)計電路性能優(yōu)良。

3 電路測試

對所設(shè)計的PWM 開關(guān)驅(qū)動電路進(jìn)行電路搭建，并采用數(shù)字電壓表，交流功率計，示波器等實驗儀器對其實物電路的工作狀態(tài)進(jìn)行了測試。在電路正常工作情況下，對電路中的2 個關(guān)鍵點的電壓波形進(jìn)行測試。

圖3 為施加到開關(guān)器件柵極的PWM 開關(guān)控制信號波形，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。測量過程是在LED 負(fù)載回路中串入0. 5 Ω 電阻測量其兩端的電壓波形，利用電阻的線性特性來反映電流特性。從波形上看，電流按照鋸齒波形周期性變化，峰峰值為40 mV，計算得到其電流紋波為80 mA，輸出電流均值為350 mA，經(jīng)過計算得到其紋波系數(shù)為22. 9%。

圖3 PWM開關(guān)控制信號

圖4 LED負(fù)載中電流波形

電路的輸入功率PI實測為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%，和對電路效率理論計算所得值相近。

經(jīng)過對電路的關(guān)鍵點波形測量，和對電路功率的實測，得到該電路工作在71 kHz 的頻率開關(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)光照度不會達(dá)到其最優(yōu)值，還需要對電路輸出濾波部分進(jìn)一步改進(jìn)提高。

4 結(jié)束語

通過分析了解LED 發(fā)光性能和電氣特性，得到使用恒流電源驅(qū)動、串聯(lián)方式連接LED 陣列的驅(qū)動要求。在PWM 方式開關(guān)電路原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了基于HV9910B 芯片的典型PWM 方式開關(guān)電路，通過實驗測量確定其最佳工作頻率，較好地完成了對白光大功率LED 的照明驅(qū)動。通過理論計算和實際測量，發(fā)現(xiàn)開關(guān)LED 驅(qū)動電源有著較為優(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85%的特點。但是要更安全地驅(qū)動白光LED 進(jìn)行日光照明，就需要對開關(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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