隨著LED 的迅速發(fā)展。現(xiàn)在白光LED 光源相比的傳統(tǒng)光源具有壽命長(zhǎng)、固體照明不易損壞、高光效、無(wú)汞環(huán)保、抗震等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將成為第三代光源，將帶來(lái)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(dòng)電源，文中利用PWM 開(kāi)關(guān)控制方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種白光LED 的大功率驅(qū)動(dòng)電路。
1 LED 電氣特性和驅(qū)動(dòng)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(lèi)似，只是開(kāi)啟電壓不同，不同材料制備的LED 開(kāi)啟電壓一般在1. 5 ~ 3. 0 V 之間。處于正向工作區(qū)時(shí)，工作電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系：
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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(zhǎng)期穩(wěn)定工作時(shí)的直流電流，稱(chēng)為額定工作電流，此時(shí)LED 壓降稱(chēng)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(shí)際功耗超過(guò)該值時(shí)，LED 發(fā)光特性變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使LED 產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。
1. 2 LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)，都會(huì)引起電流的劇烈變化，此時(shí)很容易使電流過(guò)大，輸入功率超過(guò)其極限功耗，從而對(duì)LED造成不可恢復(fù)的損壞。當(dāng)LED 工作電流值不同時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度也不同，若采用恒壓驅(qū)動(dòng)，則LED 陣列應(yīng)采用并聯(lián)方式連接，但是由于LED 個(gè)體之間的參數(shù)誤差，會(huì)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(dòng)電路一般選擇恒流驅(qū)動(dòng)模式，相應(yīng)的LED 陣列亦采用串聯(lián)方式連接，驅(qū)動(dòng)電流一般設(shè)為L(zhǎng)ED 額定電流的70% ~ 85%,以保護(hù)LED,達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的，同時(shí)也使每個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度均勻一致。
LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，需要考慮以下幾個(gè)基本指標(biāo)：
（1） 提高驅(qū)動(dòng)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(guò)流檢測(cè)功能。
（ 3） 電路盡量精簡(jiǎn)，有較小的電路體積和較低的制造成本。
2 PWM 方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)
2. 1 PWM 原理
PWM 即脈沖寬度調(diào)制，利用脈沖控制開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)時(shí)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(kāi)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(guò)被控信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開(kāi)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(kāi)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(lèi)電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。PWM 開(kāi)關(guān)電路由4 部分組成，即輸入整流濾波、PWM 控制、開(kāi)關(guān)器件和輸出濾波。根據(jù)PWM 方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)的LED 驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖1 所示。
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圖1 PWM 方式開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)的LED 驅(qū)動(dòng)電路框圖
常見(jiàn)PWM 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)產(chǎn)生部分大都實(shí)現(xiàn)了集成化，更加精簡(jiǎn)PWM 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，下面介紹利用芯片HV9910B 設(shè)計(jì)適用于大功率LED 的典型PWM方式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。
2. 2 電路設(shè)計(jì)
HV9910B 是一種通用LED 驅(qū)動(dòng)控制器，它的適應(yīng)性強(qiáng)，即可使用國(guó)際通用的市電供電，也可以用蓄電池或者太陽(yáng)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(dòng)電流范圍極寬，從幾十mA 到1 A以上。使用HV9910B 搭建的驅(qū)動(dòng)器使用器件較少，電路簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本也會(huì)降低。由HV9910B 設(shè)計(jì)的LED 恒流驅(qū)動(dòng)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。
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圖2 基于芯片HV9910B 控制的LED 驅(qū)動(dòng)電路
電路輸入級(jí)由全波整流橋和一個(gè)濾波電容組成，完成對(duì)交流電的整流濾波。控制級(jí)由HV9910B 芯片搭建，經(jīng)輸入級(jí)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(guò)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(hào)作為開(kāi)關(guān)信號(hào)控制開(kāi)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(hào)控制。電感L1在電路中起著至關(guān)重要的作用，為驅(qū)動(dòng)電路提供濾波和儲(chǔ)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(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)通半周內(nèi)，由前級(jí)濾波后的電勢(shì)向LED 負(fù)載直接供電，并給L1充電； 在開(kāi)關(guān)信號(hào)關(guān)斷半周內(nèi)，由充滿(mǎn)能量的L1給快恢復(fù)二極管、LED 組成的回路供能，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi)完成對(duì)LED 的持續(xù)驅(qū)動(dòng)。