詳解大功率LED 恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)原理

　0 引言

　　光伏發(fā)電行業(yè)作為一種新興行業(yè)，其發(fā)展具有突飛猛進(jìn)的趨勢(shì)。光伏照明是光伏產(chǎn)業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)。由于光伏電池所發(fā)出來(lái)的電如果不經(jīng)過一次變換的話是直流電，因此，LED 光源作為一種直流電光源，尤其適合光伏照明產(chǎn)業(yè)。但是，LED 的高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)要想保證的話，其驅(qū)動(dòng)具有尤為重要的作用。本文對(duì)大功率LED 和小功率LED 適合的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了比較研究。并且提出一種基于PT4115的高效率的大功率LED 恒流驅(qū)動(dòng)解決方案。該種驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、高效、成本低，適合當(dāng)今太陽(yáng)能產(chǎn)品的市場(chǎng)化發(fā)展。

　　1 LED 工作特性

　　LED 具有對(duì)電壓敏感的特性，當(dāng)LED 兩端電壓超過其導(dǎo)通電壓后?？山频恼J(rèn)為其正向電壓VF和正向電流IF 成比例關(guān)系。因此，電壓的變化會(huì)引起電流的變化。

　　圖1 　LED 的VF 和IF 特性曲線線

　　從圖1 可以看出電壓的微小變化會(huì)引起電流的極大變化。由此，可以得出對(duì)于LED 應(yīng)該采用恒流驅(qū)動(dòng)，防止流過LED 電流的極大波動(dòng)，影響LED 的使用壽命。因此，不管是交流恒流驅(qū)動(dòng)還是直流恒流驅(qū)動(dòng)，其輸出端LED 兩端電壓的峰峰值最好控制電流在幾十毫安。

　　2 LED 常用驅(qū)動(dòng)技術(shù)比較研究

　　2. 1 電阻鎮(zhèn)流驅(qū)動(dòng)

　　圖2 采用鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)的原理圖

　　從圖2 中可見，采用電阻鎮(zhèn)流的驅(qū)動(dòng)方式就是在LED 燈串上串聯(lián)上鎮(zhèn)流電阻。通過鎮(zhèn)流電阻降低在LED 燈串上的電壓，防止LED 過壓被擊穿。鎮(zhèn)流電阻的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)際上就是通常所說(shuō)的恒壓驅(qū)動(dòng)方式。該種驅(qū)動(dòng)方式雖然簡(jiǎn)單，但是在鎮(zhèn)流電阻上會(huì)有損耗，并且，損耗會(huì)隨輸入電壓的增大而增大。因此，該種技術(shù)作為最早的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，已經(jīng)隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸被取代。

　　2. 2 PWM恒壓驅(qū)動(dòng)方式

　　眾所周之，PWM驅(qū)動(dòng)方式本身具有驅(qū)動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。因此，采用PWM 恒壓驅(qū)動(dòng)方式具有效率高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。但是，鎮(zhèn)流電阻這種恒驅(qū)動(dòng)方式，已經(jīng)不適合當(dāng)今光伏照明的簡(jiǎn)潔、高效的趨勢(shì)。因此，PWM恒壓IC 隨之出現(xiàn)。

　　圖3 恒壓驅(qū)動(dòng)原理

　　對(duì)于采用恒壓驅(qū)動(dòng)（見圖3） ，因輸出到LED 負(fù)載兩端的壓降不變，如果其中一路的某顆LED 發(fā)生短路故障，則這個(gè)輸出的恒壓壓降將全部降在其它LED 兩端，則剩余的每顆LED 承受的電壓可能超過電壓額定值，而將其燒毀。

　　LED 因其VF 值特性原因做不到相同，隨著溫度及電流大小也有些VF 值也會(huì)發(fā)生變化，一般不適合并聯(lián)設(shè)計(jì)。但是有些情況又不得不并聯(lián)解決多顆LED 驅(qū)動(dòng)成本問題，就像小功率LED 如果每一路采用一個(gè)恒流源會(huì)大大增加驅(qū)動(dòng)成本，因此，就必須采用多組LED 燈串并聯(lián)，而采用恒壓驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

　　因此， 即使采用恒壓驅(qū)動(dòng)的方式， 也要選擇PWM恒壓驅(qū)動(dòng)IC ，提高驅(qū)動(dòng)效率。

　　迫于小功率LED 要想實(shí)現(xiàn)和大功率相同的照度，所需數(shù)量大，如果每路驅(qū)動(dòng)使用一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)，將大大增加驅(qū)動(dòng)成本，鑒于此問題，小功率LED 適合采用恒壓驅(qū)動(dòng)方式。

　　2. 3 恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　對(duì)于恒流驅(qū)動(dòng)實(shí)際上很大程度上是結(jié)合PWM恒壓驅(qū)動(dòng)高效率的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行改造以最簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)恒流。

　　對(duì)于PWM恒壓IC 內(nèi)置一個(gè)基準(zhǔn)電壓，通過采樣反饋端FB 端電壓和內(nèi)置電壓比較，以控制PWM輸出占空比，以實(shí)現(xiàn)恒壓驅(qū)動(dòng)。

　　要進(jìn)行恒流控制就要在斬波輸出端串聯(lián)一個(gè)小電阻，采樣其對(duì)地電壓，然后對(duì)其進(jìn)行放大并反饋到恒壓控制端，以進(jìn)行恒流控制。由于采樣電阻串聯(lián)在輸出回路里，要降低落在電阻上的功耗，就要盡量減小電阻的阻值，通常選0. 1 Ω電阻。

　　采用恒流驅(qū)動(dòng)，必須每一路LED 燈串有一個(gè)恒流源驅(qū)動(dòng)。當(dāng)燈串中單顆LED 發(fā)生短路故障時(shí)，由于輸出電流不變，因此，并不影響其它LED 的光效，采用恒流驅(qū)動(dòng)能大大提高LED 的使用壽命。

　　3 基于PT4115 的恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　3. 1 PT4115 芯片簡(jiǎn)介

　　1） 極少的外部原件

　　2） 很寬的電壓輸入范圍：從8 V 到30 V

　　3） 最大輸出1. 2 A 電流

　　4） 復(fù)用DIM 引腳進(jìn)行LED 開關(guān)、模擬調(diào)光、PWM調(diào)光

　　5） 5 %的輸出電流精度

　　6） LED 開路保護(hù)

　　7） 高達(dá)97 %的效率

　　8） 輸出可調(diào)的恒流控制方法

　　9） 內(nèi)部含有抖頻特性，極大的改善EMI

　　3. 2 典型應(yīng)用電路

　　圖4 PT4114 典型應(yīng)用電路

　　對(duì)于PT4115 （見圖4） 即可以應(yīng)用于12~18 V 的交流，也可應(yīng)用在8 V~30 V 的直流。因此，應(yīng)用范圍更加廣泛。并且，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，所需元器件均價(jià)格低廉。適合批量、市場(chǎng)化。

　　3. 3 PT4115 恒流原理

　　保持采樣端（CSN） 輸入電壓值為IC 內(nèi)部設(shè)定值相對(duì)于VIN 電壓值不變即可實(shí)現(xiàn)恒流。因?yàn)椋?/p>

　　式中：

　　ILED ---流過L ED 的電流；

　　VCSN ---電壓檢測(cè)端電壓；

　　RS ---電流采樣電阻。

　　從式（1） 可見，只要保證采樣端電壓相對(duì)于輸入端電壓不變，就能使流過LED 的電流恒定。[!--empirenews.page--]

　　3. 4 PT4115 調(diào)光措施

　　PT4115 采用PWM 調(diào)光措施，當(dāng)DIM 引腳電壓低于0. 3 V 時(shí)關(guān)斷LED 電流，高于2. 5 V 時(shí)開啟LED 電流。

　　PWM調(diào)光措施相對(duì)于傳統(tǒng)的線性調(diào)光，不影響LED 的光效。PWM 調(diào)光的基本原理是保持LED 正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比例，即控制每個(gè)周期電流導(dǎo)通的時(shí)間。PWM 調(diào)光的優(yōu)勢(shì)是LED 正向?qū)ǖ碾娏饕恢笔呛愣ǖ?，LED的色度就不會(huì)像模擬調(diào)光一樣會(huì)變化。PWM調(diào)光可以在精確控制LED 的亮度的同時(shí)，也保證LED 發(fā)光的色度。

　　線性調(diào)光是通過改變流過LED 的電流來(lái)調(diào)整光效的，流過LED 的電流的變化必然會(huì)影響LED 的色度。

　　因此，PWM調(diào)光相對(duì)傳統(tǒng)的線性調(diào)光具有很大的進(jìn)步。

　　3. 5 PT4115 頻抖改善EMI 的原理

　　頻率抖動(dòng)技術(shù)（Frequency Jitter） 是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI 問題的新方法。頻率抖動(dòng)技術(shù)是指開關(guān)電源的工作頻率并非固定不變，而是周期性地由窄帶變?yōu)閷拵У姆绞絹?lái)降低EMI ，來(lái)減小電磁干擾的方法。

　　頻率抖動(dòng)技術(shù)通過擴(kuò)展電源噪聲頻譜的方式降低了窄帶EMI.對(duì)于可以抖動(dòng)多少的振蕩器頻（fs） ，存在一些局限性。其中一些局限因素是開關(guān)損耗和磁路設(shè)計(jì)。為了將升壓電感盡可能的保持較小，并將開關(guān)損耗保持在可控范圍內(nèi)，頻率抖動(dòng)應(yīng)不超過基本頻率的20 %至30 %.

　　3. 6 PT4115 的動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)和過溫保護(hù)

　　對(duì)于PT4115 具有動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)的功能，并且，可以在此功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)。

　　3. 6. 1 動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)。

　　圖5 動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)原理圖

　　從圖5 中可見，DIM 端內(nèi)部是一個(gè)1MΩ 的上拉電阻，連接到內(nèi)部5V 電源上。DIM 端電壓由內(nèi)部上拉電阻和熱敏電阻NTC 分壓決定。從熱敏電阻的特性可以知道，溫度的變化會(huì)影響NTC 的阻值，進(jìn)而影響DIM端電壓，以實(shí)現(xiàn)PT4115 的動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)。

　　3. 6. 2 過溫保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。

　　從圖6 中可見，相對(duì)于圖5 多了一個(gè)三極管，當(dāng)溫度升高時(shí)，NTC 電阻的阻值減小，其上的分壓也減小，則相應(yīng)的其下面電阻上的分壓升高，當(dāng)超過三極管的開通電壓時(shí)， 三極管導(dǎo)通，DIM 端接地， 關(guān)斷LED電流， 當(dāng)溫度降低時(shí)， IC 重啟， 因此， 實(shí)現(xiàn)了PT4115 的過溫保護(hù)。

　　圖6 　過溫保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理圖

　　3. 7 PT4115 工程應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)

　　1） 電感越大，工作頻率越低，恒流效果越好；2） 輸出電流越大，需要電感值越小，電感選擇方便；3） 通常電感越大，功率開關(guān)的開關(guān)損耗越小，但相應(yīng)的電感的損耗會(huì)增大；4） PT4115 內(nèi)部自帶過溫保護(hù)功能，外部過溫保護(hù)可設(shè)，對(duì)LED 實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)；5） PCB 布線要盡可能的將銅箔與PT4115 的Ex2posed PAD 和GND 的接觸面積增大，以利散熱；6） 交流12V 整流管和續(xù)流二極管一定要選用低壓降的肖特基二極管，以降低自身功耗；7） 電感選取時(shí)，其飽和電流要求為輸出電流的1. 5 倍。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　4. 1 效率測(cè)定

　　采用實(shí)驗(yàn)室精密儀表，對(duì)PT4115 的輸出效率進(jìn)行了測(cè)量，現(xiàn)以輸出為3 顆LED 串聯(lián)負(fù)載為例，其結(jié)果見表1.

　　表1 不同輸入電壓下，輸出效率測(cè)定

　　從表1 可見， PT4115 的整體供電效率維持在91 %以上，相對(duì)于當(dāng)前市場(chǎng)上的恒流源，是一款效率高的產(chǎn)品。并且，單路可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)最多7 顆1W的LED 串聯(lián)。由于，外圍電路簡(jiǎn)單， IC 封裝體積小，可以將恒流驅(qū)動(dòng)和LED 負(fù)載整合在一塊鋁基板上，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、散熱一體化的模組方案。

　　4. 2 實(shí)驗(yàn)波形

　　通過示波器采樣肖特基二極管兩端的波形，同樣以3 顆LED 負(fù)載為例進(jìn)行采樣。

　　圖7 輸入電壓12 V 負(fù)載為3 顆LED 串聯(lián)時(shí)的波形

　　從波形圖7 與可見斬波波形沒有毛刺，因此，諧波含量比較低，恒流驅(qū)動(dòng)損耗小。

　　5 小結(jié)

　　本文通過對(duì)各種常用驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行比較，得出大功率LED 應(yīng)采用恒流驅(qū)動(dòng)的結(jié)論。并且，詳細(xì)介紹了基于PT4115 的大功率LED 恒流驅(qū)動(dòng)的原理、優(yōu)點(diǎn)、及其電路實(shí)現(xiàn)。同時(shí)， 也詳細(xì)敘述了在采用PT4115 實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。最后對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了描述，證明了該驅(qū)動(dòng)的合理性、高效性、簡(jiǎn)潔性等突出優(yōu)點(diǎn)。該恒流驅(qū)動(dòng)具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。