大功率白光LED恒流驅動電路系統設計

曹衛鋒， 王玉琴， 胡智宏

(1.鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院 河南 鄭州 450002；2.鄭州大學 教育技術中心 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著大功率白光LED光效不斷提高和成本顯著降低，LED燈具作為一種新型綠色照明產品，逐漸被公認為21世紀的新型照明光源.為此，很多科研人員和電子廠商都提出了各具特色的大功率LED驅動解決方案.傳統的大功率LED驅動電路一般不具備測量LED結溫的功能[1-3]，對LED的保護僅限于過流或過壓保護，很難真正起到保護LED的目的.并且傳統LED驅動電路的DC/DC變換部分大多采用電解電容進行濾波和儲能，而電解電容的壽命受環境溫度的影響比較大，這勢必影響到LED恒流源電路的使用壽命.

針對這些問題，本文根據大功率LED的固有特性，采用“低電流測壓法”間接測量LED的結溫，通過調整LED驅動電流來控制其結溫，防止LED結溫過高而損壞，通過提高DC/DC變換電路的開關頻率，采取多個陶瓷電容并聯代替電解電容的方案，從而延長LED驅動電路的使用壽命.

1 大功率LED工作特性

1.1 電壓與電流之間的關系

圖1 1 W白光LED的V-A曲線Fig.1 V-A curve of 1 W white LED

大功率LED的核心部分是PN結，因此它的伏安特性與普通二極管基本相同.圖1為某公司1 W白光LED的伏安特性曲線[4]，由圖1可以看出，當LED的正向電壓有較小變化時，LED的電流將有較大變化.由于流經LED的電流發生變化，LED的發光強度就會有明顯變化.因此，為保證LED的發光強度保持穩定，必須為LED提供恒定的電流，這就是采用恒流驅動LED的原因.

1.2 結溫與壽命之間的關系

LED的壽命在理想情況下可以達到10萬小時，實際上，由于大功率LED的熱量集中在尺寸很小的芯片內，芯片PN結溫度升高，將引起器件熱應力的非均勻分布，芯片的發光效率也將下降，當LED的結溫超過一定值時，器件失效率呈指數規律增加.圖2是飛利浦1 W、2 W、3 W和5 W大功率白光LED結溫與壽命之間的關系曲線[5].圖中額定電流為350 mA的LED功率為1 W，700 mA的為2 W，1 A的為3 W， 1.5 A的為5 W.由圖2可以看出，大功率LED的壽命均與其結溫有關，LED的結溫超過一定值時其壽命就會呈指數曲線下降.只有確保LED的結溫始終低于某一額定值，才能有效延長LED的壽命，因此準確可靠地實時測量LED的結溫就成了延長LED壽命的先決條件.

1.3 電壓和結溫之間的關系

LED的結溫是影響LED壽命的關鍵因素，同時LED的過熱保護和熱降額補償等也需要測量LED的結溫，然而LED的結溫測量目前有很多難點.近期研究發現，大功率LED工作在某一特定低電流范圍內時，其結溫與端電壓近似呈線性關系[6].圖3為某公司1 W白光LED在不同驅動電流下的電壓-結溫特性曲線.

圖2 LED的結溫與壽命之間的關系曲線Fig.2 Junction temperature and lifetime curve of LED

圖3 1 W LED的電壓-結溫特性曲線Fig.3 Voltage-temperature characteristic curve of 1 W LED

由圖3可以看出，當LED工作在低電流狀態時，其電壓-結溫特性的線性度較好，為此，可以通過測量LED工作在低電流時的端電壓，推斷出LED的當前結溫，這種方法可稱為“低電流測壓法”.

2 大功率白光LED恒流源電路設計

2.1 恒流源電路系統設計框圖

圖4 LED恒流驅動電路系統框圖Fig.4 Circuit block diagram of constant current driving LED

根據大功率LED的工作特性，本文設計的LED恒流驅動電路系統框圖如圖4所示.系統包括PIC單片機最小系統、LT3755恒流驅動電路、大功率LED電流檢測電路、電壓檢測電路和LED短路保護電路等(圖中大功率LED串并聯電路屬于外置電路).PIC16F873內部具有5路A/D轉換和2路PWM輸出，主要完成LED工作電壓和平均電流的檢測、LED電流大小設定和PWM占空比的調整等功能.LT3755恒流驅動電路是恒流源電路系統的核心電路，主要完成高效率大電流DC/DC轉換、LED恒流驅動、LED開路保護和數字調光等功能.

2.2 LED恒流驅動電路設計

大功率白光LED恒流驅動電路的設計如圖5所示，其核心是美國凌力爾特公司的LED專用恒流芯片LT3755[7]，該芯片輸入電壓范圍為4.5～40 V，可配置為升壓、降壓、升降壓、SEPIC 或反激式的拓撲結構，輸出電壓范圍為2.9～60 V，轉換頻率可在100 k～1 MHz范圍設置，升壓模式下的效率超過94%，數字調光比最大為3 000∶1，使用CTRL引腳可進行10∶1的模擬調光，具有LED開路保護、可編程欠壓閉鎖和軟起動等功能.

如果電解電容工作環境溫度為105 ℃時，其壽命為5 000 h(標稱值)，工作在環境溫度低于85 ℃時，其壽命為20 000 h，因此，電解電容是電源可靠性的瓶頸.采用高性能電容、控制工作溫度和通過電路設計減小電容值等方法可以延長電源電路的壽命.然而，由于電源電路功耗較大，濾波要求較高，所以這些方案很難徹底解決問題.本文通過提高DC/DC變換電路的開關頻率，采取多個陶瓷電容并聯代替大容量電解電容的方案，較好地解決了這一問題.

圖5 LED恒流驅動電路Fig.5 Circuit of constant-current driving LED

根據項目需要，本設計將LT3755連接成BOOST升壓電路，其DC/DC升壓電路由L1，D1，Q1，C2，C3，C4，C5，R1，R2，R7和RS1等部分構成.其中，L1，D1，Q1，C2至C5構成BOOST電路的主拓撲結構.BOOST電路的開關頻率由電阻R7的阻值來決定，取值范圍為10 k～100 kΩ，相對應的開關頻率為1 M～100 kHz.RS1為控制回路的電流檢測輸入電阻，用于過流保護，一般取值為0.015 Ω. BOOST電路輸出電壓的大小由R1和R2的比值確定.LT3755的PWM管腳用于調整LED亮度，當采用PWM調光時，大功率LED不是工作在最大電流狀態，就是工作在關斷狀態，因此，調光時LED的發光顏色不會發生變化.

RS2為LED高壓側電流檢測電阻.一方面用于LED的短路保護，當LED短路時，LT3755關斷其PWM輸出，恒流源電路停止工作；另一方面可根據CTRL引腳電壓的大小來完成LED電流設定，當VCTRL大于或等于1.2 V時，ILED=0.1/RS2，當VCTRL小于1 V時，ILED=(VCTRL-0.1)/(RS2×10),其中ILED為流過LED串的電流，VCTRL為LT3755 CTRL引腳電壓，RS2為與LED串高壓側串聯的電阻.當1 V

根據LT3755的CTRL引腳的特性，即可用“低電流測壓法”間接測量LED的結溫.具體方法是先設定VCTRL大于1.2 V的時間為10 s，讓LED正常工作，然后再設定VCTRL小于1 V的時間為0.01 s，讓LED工作在低電流狀態，通過測量LED在低電流時的端電壓即可根據圖3推斷出LED的結溫.如果LED的結溫超過設定值，可以通過調整PWM的占空比來減小LED的平均電流，降低LED的輸出功率，控制LED的結溫.

2.3 LED工作電壓檢測電路設計

圖6 LED端電壓檢測電路Fig.6 Terminal voltage detection circuit of LED

當采用“低電流測壓法”間接測量LED的PN結溫度時，需要實時采集LED的端電壓，以確定LED的溫度是否超過設定值.這部分的電路如圖6所示.

圖6是一個差動放大電路.由于LED串的端電壓最高可達60 V，而單片機A/D轉換電路能接受的最高輸入電壓只有5 V，因此該電路應設計為電壓衰減電路.調整電路中4個電阻值，使差動放大電路的輸出電壓小于5 V即可滿足電路設計要求.

3 實驗結果與總結

基于上述分析，設計制作了大功率LED恒流源電路.蓄電池提供電路的輸入電壓為12 V，負載采用6并10串聯接的60顆1 W的大功率白光LED，單片機PWM輸出頻率設定為250 Hz，然后將該電路連接在太陽能LED路燈系統中工作一年，前半夜LED路燈全功率工作，后半夜調整單片機的PWM占空比為1∶2，LED路燈工作于半功率模式.實驗證明該電路能穩定可靠工作.恒流源電路部分實驗數據如表1所示.

表1 恒流源電路部分實驗數據Tab.1 Part of the experiment data of constant current circuit

注：半功率模式下，LED的端電壓不變，電流是占空比為1∶2的脈沖電流，加“*”的數值是其均值.

從實驗結果可以看出，由于恒流源大部分時間工作在正常工作模式和半功率工作模式，所以其效率接近92.6%.正常工作模式時，每顆LED的平均電流為317 mA，平均電壓為3.11 V，功率基本達到1 W，恒流源的精度雖然只有1.05%，但這對于驅動大功率LED來說已經足夠.由于LED在正常工作模式時的結溫在80 ℃左右，因此，在測量模式時，當每粒LED的平均電流為5 mA時，平均電壓為2.55 V，這與圖3所示的1 W LED的電壓-結溫圖基本相符，這說明采用“低電流測壓法”測量LED的結溫是行之有效的.

實驗表明，采用“低電流測壓法”間接測量LED的PN結溫度，更好地保護了LED，采用LED專用恒流芯片LT3755為主電路簡化恒流源電路設計，采用無電解電容的DC/DC電路延長恒流源電路的壽命.

參考文獻：

[1] 貢瑞睿,葛紅娟. 色溫可調的高功率LED恒流驅動電路設計[J]. 電力電子技術,2011,45(6):97-99.

[2] 黃艷國,倪艷明,許倫輝.公路隧道照明無級調光模糊控制方法[J].廣西師范大學學報:自然科學版,2011, 29(1):10-14.

[3] 辛曉寧,陳麗麗. LED恒流驅動電路研究與設計[J].微電子學與計算機,2011,28(3):126-129.

[4] 茅于海.恒流驅動源及其在太陽能LED路燈中的應用[EB/OL].[2011-03-12]. http://www.chinabaike.com.

[5] Philips Inc. Understanding Power LED Lifetime Analysis [EB/OL].[2009-02-22] . http://www.philipslumileds.com.

[6] 劉廷章.大功率LED照明的恒流驅動技術[EB/OL].[2011-07-09]. http://wenku.baidu.com.

[7] Linear Technology Inc. LT3755 Datasheet [EB/OL]. [2010-09-10].http://www.linear.com.