摘搖要:高效穩定的恒流驅動電路是LED 照明工程設計的關鍵之一。應用新型驅動器件NCP3065 設計了一款LED 升壓恒流驅動電路。介紹了電路的工作原理和元件參數的詳細計算過程。所設計電路包含DC-DC 升壓驅動部分和PWM 調光部分,可以驅動5 個1 W 串聯的LED,驅動電壓達16 V,電流達350 mA。實測結果表明,電路整體效率高達87. 5%,并且具有調光線性度好,性能穩定、可靠等優點,適用于各種大功率LED 的照明應用。
關鍵詞:LED 照明;恒流;升壓驅動;PWM 調光
目前,以高亮度LED 為光源的綠色照明成為廣泛關注的熱點。與傳統的白熾燈、熒光燈相比,LED的出現使照明技術進入了固態照明的時代。LED
具有高效率、低功耗、低電壓驅動、使用壽命長、安全環保、體積小等優點[1-3] 。要發揮LED 的這些優點,需要有高效、穩定、可靠的驅動電路,這也成為LED照明系統設計的關鍵和難點。
1搖LED 的特性
LED 是發光的半導體元件,核心是一個PN 結,電流只能正向導通。如圖1 所示,當對LED 施加正向電壓時,N 區的電子通過PN 結注入P 區,同樣P區的空穴也注入N 區。進入對方區域的部分載流子發生復合,能量以光子的形式釋放出來,使LED發光[8] 。因此,載流子越多,即電流越大,釋放出的光子數也越多。有L =KI,其中,L 為LED 的發光亮度,I 為LED 正向工作電流,K 為比例常數[7] 。因此可通過控制LED 的驅動電流來控制LED 的亮度。
LED 的正向驅動電壓和電流呈指數關系,電流模型為:I(Vf )= I0ekVf ,其中I 為流過LED 的電流,Vf為LED 陽極和陰極間的正向電壓, k 和I0 為常
數[4] ,如圖2 所示。從圖2 可以看出,當LED 正向導通后,電壓微小的變化都能引起很大的電流變化,試圖通過控制LED 電壓來控制LED 的狀態并不可
取,因此LED 通常采用恒流電路來驅動。
2搖電路設計
2. 1搖設計要求
輸入電壓為220V 市電,要求驅動5 個1 W 的LED,串聯連接,每個LED 的導通電壓約為3. 2 V,驅動電流最大為350 mA,且要求亮度可調。
針對要求,5 個LED 串聯的導通電壓約為5伊3郾2=16 V。這里考慮采用效率高、紋波電流小的升壓拓撲結構的驅動電路。當后續如果需要增加
LED 的數量時,只需要修改電路的參數,而無需改變電路的拓撲結構。從LED 電壓與電流的關系圖上看出正向導通的曲線比較陡峭,直接通過調節電流來調節亮度比較困難,因此調光方式選用脈寬調制,即PWM 調光的方法,即通過改變LED 在單位周期時間內的平均導通時間來調光。
2. 2搖NCP3065 驅動芯片的特性
整個電路核心的LED 驅動芯片選用安森美公司專用于LED 照明驅動的NCP3065 開關集成穩壓芯片。該芯片的電壓輸入范圍大,可從3 V 到40V;電流反饋電壓僅為235 mV,能耗小;開關頻率最大可達250 kHz。它內部集成了1. 5 A 的大功率達林頓驅動電路,無需外部驅動MOS 管。該芯片還具
有過熱保護功能,當工作溫度超過165 益時,內部輸出功率管將被關斷, 起到保護芯片的作用[5] 。NCP3065 芯片的內部結構如圖3 所示。
其中芯片的第1、2 引腳連接內部的達林頓功率管的C 極和E 極。第3 腳外接定時電容,用于設定芯片工作時的開關振蕩頻率。第5 腳一邊連接內部235 mV 比較器的負輸入端,一邊用于連接外部LED電流檢測電阻,使LED 的驅動電流恒定在設定值。芯片第7 引腳為峰值電流監測端,當檢測到電源的峰值電流超過設定值時,芯片將關斷內部達林頓管的輸出,起到保護工作電路的作用。
2. 3搖LED 驅動電路設計
整個電路的供電部分如圖4 所示。220 V 的市電通過隔離變壓器降壓得到約為9 V 的交流電,通過4 個二極管組成的橋式整流電路和220 滋F 大電容的濾波得到直流電流作為整個驅動電路的供電電源,這時輸出約為直流10. 8 V。
LED 升壓驅動電路圖如圖5 所示。電感L1、二極管D1 和輸出電容C4、C5 組成升壓電路,驅動5 個串聯的LED。二極管D1 選用大電流、低功耗、反向恢復時間短、正向導通電壓僅為0.6 V 的肖特基二極管MBRS140LT3。其平均工作電流達到1 A,峰值電流可達到2 A,滿足設計要求。由于電路為升壓驅動結構,為了防止若有LED 出現斷路,二極管D1 繼續給輸出電容充電,造成輸出電壓持續升高,而可能損壞電容元件,在LED 的輸出端并聯了一個22 V 齊納二極管,在LED 發生故障時通過22 V 齊納二極管來鉗位輸出電壓。升壓電路工作時的開關頻率通過與芯片第3 腳連接的C6 設置。這里C6 取值2.2 nF,設置振蕩頻率約為150 kHz。LED 的工作電流通過與之串聯的電阻R10檢測,LED 驅動電流在R10上產生的壓降反饋到NCP3065 芯片第5 腳的COMP 端。反饋電壓與芯片內部235 mV 基準電壓進行比較,比較器的輸出通過芯片內部的RS 觸發器微調輸出達林頓管的導通周期,從而使LED 的驅動電流穩定在設定值。電流檢測電阻R10的取值為235 mV衣350 mA=0.671 贅,這里取與之阻值最接近的標準電阻0.665 贅。
峰值電流檢測電阻連接電源輸入端與芯片第6引腳Ipk 端。由于檢測電流較大,檢測電阻由6 個電阻并聯以分擔總電流。當電源電流超過設定值
時,電流檢測電阻上的壓降增大到超過芯片內部比較器的基準值,內部比較器將內部RS 觸發器置位,使輸出達林頓管截止,及時關斷LED 驅動電流,從
而保護整個電路不被大電流損壞。
2. 4搖PWM 調光電路設計
通過NCP3065 芯片Ipk 峰值電流檢測端的功能可以巧妙地實現PWM 調光。如圖5 所示,將一個開關三極管的集電極與芯片的Ipk 端連接,三極
管的發射極接地,三極管的基極輸入PWM 信號。當開關三極管的基極輸入PWM 信號的低電平時,三極管截止,NCP3065 驅動芯片正常工作;當三極
管的基極輸入PWM 信號的高電平時,三極管導通,Ipk 端的電壓被強制拉低,與之相連接的內部比較器輸出高電平信號使芯片的內部的RS 觸發器置位,
從而強制關斷輸出功率管,這時LED 沒有電流流過。通過調節PWM 高低電平信號的占空比就能實現LED 的調光功能。
使用通用定時芯片NE555 產生PWM 調光信號。電路如圖6 所示,電阻R11、R12 和電容C8 組成RC 充放電電路。電容C8 的電壓將在555 芯片2 個內部比較器的基準電平之間反復振蕩。從芯片的第3 引腳將輸出高低電平的方波。由于接入了D3 和D4 兩個二極管,電容C8 的充電電流和放電電流將流經不同的路徑。通過調節變阻器R12的阻值,可以調整電容C8 的充、放電時間常數,從而調整555 輸出方波的高電平和低電平時長,即調整波形的占空比。由于電容充電和放電流過的電阻總阻值不變為:R11 +R12,因此電路充放電的總時間長度不變,為T =(R11 +R12)·C8·ln2[6] 。
PWM 波形的頻率選取需要折衷考慮2 個方面。若頻率太低,則人眼會感覺到燈光閃爍;頻率太高,則會對電路產生EMI 干擾。NCP3065 芯片說明書建議調光頻率選擇在200 Hz ~ 1 kHz。這里選擇R11 =1 k贅,R12 = 50 k贅,電容C8 = 0. 1 滋F,則PWM信號頻率為f =1/ ( R11 +R12 )·C8·ln2 =282. 9 Hz,滿足上述要求。
3搖實驗測量
對設計的電路進行測量,當驅動電流100% 輸出時,測量得到LED 驅動電路輸入電壓為10. 8 V,輸入電流為586 mA, LED 串兩端的輸出電壓為
16郾11 V,流過LED 的電流344 mA,計算得到該驅動電路的工作效率為:87. 6%。用示波器觀測LED 的輸出端的紋波電壓幅度約為:500 mV,約占輸出平均電壓的3. 1%。
測試PWM 調光信號的占空比與輸出電流的關系如圖7 所示,因為當PWM 信號為高電平時開關三極管導通,NCP3065 關斷電流輸出,所以PWM 信號的占空比與輸出電流呈反比關系。從圖上看出,PWM 信號的占空比與LED 的平均驅動電流基本呈線性關系,PWM 調光的線性度良好。
4搖結束語
本文介紹了基于NCP3065 芯片的LED 升壓驅動電路設計,包括:升壓電路、PWM 調光電路和相關保護電路等。并對該電路的工作參數進行測量。結果表明該電路達到設計指標的要求,能夠穩定驅動5 個串聯的1 瓦LED, 并有較高的效率和很好的PWM 調光線性度。該電路具有故障保護功能,當外部電路出現電流過大或溫度過熱時,NCP3065 芯片能夠及時關斷內部功率管的輸出,起到保護整個電路的作用。本電路經過適當改進,可用于惡劣的環境如戶外照明、建筑物照明、汽車照明等領域。