大功率LED的驅(qū)動電路設(shè)計(PT4115應(yīng)用)(精)

1、大功率LED的驅(qū)動電路設(shè)計(PT4115應(yīng)用)摘要：LED(lightemittingdiode)即發(fā)光二極管，是一種用途非常廣泛的固體發(fā)光光源，一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件。由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命非常長，LED元件的體積非常小，LED的發(fā)出的光線能量集中度很高，LED的發(fā)光指向性非常強(qiáng)，LED使用低壓直流電即可驅(qū)動，顯色性高(不會對人的眼睛造成傷害)等優(yōu)點(diǎn)，LED被廣泛應(yīng)用在背光源、照明、電子設(shè)備、顯示屏、汽車等五大領(lǐng)域。而且隨著LED研發(fā)技術(shù)的不斷突破，高亮度、超高亮度、大功率的LED相繼問世，特別是白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過了常用的白熾燈，正朝著常照明應(yīng)用的方向發(fā)展，

2、大有取代傳統(tǒng)的白熾燈甚至節(jié)能燈的趨勢。本論文主要介紹采用恒流驅(qū)動方式實現(xiàn)驅(qū)動電路，并且提出一種基于恒流驅(qū)動芯片PT4115的高效率的大功率LED恒流驅(qū)動解決方案。該種驅(qū)動電路簡單、高效、成本低，適合當(dāng)今太陽能產(chǎn)品的市場化發(fā)展。關(guān)鍵詞：大功率LED；驅(qū)動電路；恒流驅(qū)動芯片PT4115一、LED主要性能指標(biāo)：LED的顏色：目前LED的顏色主要有紅色,綠色,藍(lán)色,青色,黃色,白色,暖白,琥珀色等其它的顏色；LED的電流：一般小功率的LED的正向極限電流多在20mA。但大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。1WLED的額定電流為350mA,3WLED的750

3、mA。LED的正向電壓：LED的正極接電源正極，負(fù)極接電源負(fù)極。一般1W的大功率LED的正向電壓為3.5V3.8V。LED的反向電壓：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞LED發(fā)光強(qiáng)度：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(qiáng)(度)，單位為坎德拉(cd)。LED光通量：光源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量。單位為流明(1m)。如1W大功率LED的光通量一般為6080LM。LED光照度：1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度.，單位為勒克斯(lx)。LED顯色性：光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程

4、度。LED的使用壽命：LED一般可以使用50,000小時以上。LED發(fā)光角度：二極管發(fā)光角度也就是其光線散射角度，主要靠二極管生產(chǎn)時加散射劑來控制。二、大功率LED的驅(qū)動方式：LED驅(qū)動簡單的來講就是給LED提供正常工作條件(包括電壓,電流等條件)的一種電路,也是LED能工作必不可少的條件,好的驅(qū)動電路還能隨時保護(hù)LED，避免LED被損壞。LED驅(qū)動通常分為以下三種方式：鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動：就是簡單的的在LED的回路中串接電阻，通過調(diào)節(jié)電阻的阻值,可以改變LED的驅(qū)動電流.。RUL呂ledLED的工作電流為：莫1Ii=UzUlR所以I與鎮(zhèn)流電阻R成反比；當(dāng)電源電壓U上升時，R能限制I的過量增長，使I

5、不超出LED的允許范圍。此電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，成本低；缺點(diǎn)是電流穩(wěn)定度不高；電阻發(fā)熱消耗功率，導(dǎo)致用電效率低，僅適用于小功率LED范圍，所以不選這種方案。恒壓驅(qū)動：就是保持LED兩端的電壓不變，因為每一種顏色的LED的電壓都不一樣，所以很少用恒壓的方式來驅(qū)動LED。恒流驅(qū)動：顧名思異就是保持LED的電流一直不變，讓LED在恒定電流的條件下工作。由于大功率LED是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，當(dāng)LED電壓變化很少時，電流變化很大。LED發(fā)光的強(qiáng)度由流過LED的電流決定，電流過強(qiáng)會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此LED的驅(qū)動需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時達(dá)到

6、理想的發(fā)光強(qiáng)度。如果采用恒壓方式驅(qū)動，LED正向電壓的任何變化都會導(dǎo)致LED電流的變化。由溫度或電壓變化引起的特定壓變，導(dǎo)致正向電流降低，正向電壓變化11%會導(dǎo)致更大的正向電流變化，達(dá)30%。電流的變化較大，使LED的亮度不能恒定。所以一般都選擇恒流驅(qū)動IC。三、恒流驅(qū)動方式電路LED驅(qū)動電路除了要滿足安全要求外，還應(yīng)具備兩個基本功能：一是盡可能保持恒流特性，又使其在電源電壓發(fā)生的變動時，仍應(yīng)能保持輸出的電流在的范圍內(nèi)變動；二是應(yīng)保持較低的自身功耗，這樣才能使LED的系統(tǒng)效率保持在較高水平。隨著更新一代大功率LED所需的驅(qū)動電流的增加，要更多的考慮到LED本身和電流驅(qū)動電路的散熱管理和功耗等問

7、題。本設(shè)計框圖如下所示：(1)適配器的選擇：本設(shè)計首先要將高壓的交流電變換成低壓的直流恒流源，然后經(jīng)過驅(qū)動芯片輸出恒流才能點(diǎn)亮LED光源。最經(jīng)濟(jì)有效的方法降壓和進(jìn)行交直流變換是使用當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品使用交流電源的交直流降壓變換器-適配器(Adapter)，既經(jīng)濟(jì)實惠、又現(xiàn)成、又好用。適配器的輸出電壓要求穩(wěn)定在DC12V，適配器的輸出電流要根據(jù)LED的光源的功率來選擇，一般要給予30%的余量，1W的白光LED的標(biāo)準(zhǔn)工作電流應(yīng)為350mA,因而3個LED光源串聯(lián)其電路需要的電流也是350mA，考慮到延長LED壽命和降低光衰，可以設(shè)計為300mA-330mA，不會明顯的影響LED發(fā)光的亮度，所以適配

8、器的輸出電流應(yīng)選750mA1A的。(2)驅(qū)動芯片：由于本設(shè)計采用恒流驅(qū)動方式，所以驅(qū)動芯片可以選擇PT4115恒流驅(qū)動芯片，PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，適合綠色照明LED燈的驅(qū)動電路。它具有較寬的直流8V到30V輸入電壓范圍，擊穿電壓大于45V，輸出2001200mA恒定直流，可滿足驅(qū)動點(diǎn)亮17顆串聯(lián)的大功率LED或N顆串并聯(lián)的小功率LED,驅(qū)動恒流大小可按應(yīng)用方案設(shè)定。PT4115采用頻率抖動技術(shù)有效地改善EMI；采用從滿量程向下到零的PWM調(diào)光；安全可靠，調(diào)光比可達(dá)5000:1；采用SOT89-5的封裝，芯片的管芯可通過直接連通到封裝外的金屬板散熱；導(dǎo)熱十分有效；P

9、T4115內(nèi)部設(shè)置了過溫保護(hù)功能，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。當(dāng)IC芯片溫度超出160C,IC即會進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)并停止電流輸出,而當(dāng)溫度低于140C時,IC即會重新恢復(fù)至工作狀態(tài)PT4115可利用模擬調(diào)光的原理以及溫度對LED電流的負(fù)反饋實現(xiàn)LED燈具動態(tài)溫度控制,只要在調(diào)光端(DIM端)加一熱敏電阻或PN結(jié)即可。加上整流橋PT4115可應(yīng)用于交流12V、24V供電的LED燈具。PT4115的工作效率高達(dá)97%,是真正的綠色驅(qū)動IC，PT4115被廣泛應(yīng)用于使用LED燈的MR11、MR16、水燈、路燈等各類LED燈具。PT4115主要參數(shù)如下：輸入范圍從8V到30V,擊穿電壓45V輸出電流高達(dá)

10、1.2A，內(nèi)置大功率MOFET效率咼達(dá)97%超低的關(guān)斷電流土5%輸出電流精度LED開路保護(hù)模擬PWM調(diào)光功能選擇，高達(dá)5000:1的PWM調(diào)光比內(nèi)部含有抖頻特性，有效地改善了EMIExposedPAD恒流驅(qū)動芯片PT4115的5腳封裝的管腳圖如右圖所示，其管腳描述如下:管腳1：SW,功率開關(guān)的漏端；管腳2：GND,信號和功率；管腳3：DIM，開關(guān)使能、模擬和PWM調(diào)光端；管腳4：CSN，電流采樣端，采樣電阻接在CSN和VIN端之間；管腳5：VIN,電源輸入端，必須就近接旁路電容。(3)大功率LED：可以選擇1W白光LED，其參數(shù)如下：功率：1W光通量：20-30LM順向電壓：3.5-3.8V額

11、定電流：350mA光衰：5%每千小時光衰。角度：120度四、設(shè)計電路原理圖如下：R1ovlavout24SAI)M1ITT4w;up原理圖器件說明：D1D4組成單相橋式整流電路，將交流變成直流，即不管U1輸出的是直流還是交流,經(jīng)過這個整流橋之后輸出的電流總是直流的，給驅(qū)動芯片PT4115輸入穩(wěn)定的直流，保證電路正常工作，橋式整流電路二極管常用1N4007。Cl是濾波電容，把脈沖直流變換成平滑的直流。應(yīng)選電解電容，型號為100uF/25V。R1是取樣電阻，控制PT4115輸出電流的大小，它決定恒流源的絕對精度。R1的阻值與負(fù)載電流大小有關(guān)，一般用下面公式計算：R1LED由于負(fù)載是3個串聯(lián)的1WL

12、ED,額定電流為350mA，則采樣電阻R1的大小為：R1=-01=0.285700.35所以R1可以選擇阻值約為0.2857歐姆的金屬膜電阻。L是整流電感，是這個電路中的關(guān)鍵元件，功能是把100KHz的脈沖電流變換成三角波電流，L的電感量會影響工作電壓范圍內(nèi)恒流源的穩(wěn)定性。因為PT4115的設(shè)計最佳工作頻率在1MHz以下，電感量大了小會影響其工作頻率，本方案的電感設(shè)計在68uH以上，這樣系統(tǒng)工作頻率可以控制到1MHz以下。電感量小了，工作頻率趨高，由于PT4115內(nèi)部電流檢測電路響應(yīng)速度限制，對內(nèi)部電流正常檢測出現(xiàn)影響，不能更好的實現(xiàn)對內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷控制。另外電感量太小還會導(dǎo)致PT411

13、5的SW端燒壞，而無輸出。所以此設(shè)計中L的電感量應(yīng)選用68uH100uH,Q值大于50,飽和電流大于800mA的磁路閉合電感器。D5是續(xù)流二極管，在晶片內(nèi)部MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)時為儲存在電感中的電流提供放電回路。由于工作在高頻脈沖狀態(tài)，D5應(yīng)選用正向壓降小，恢復(fù)速度快的肖特基二極管。芯片PT4115的DIM端可外接PWM脈沖或直流電壓調(diào)光，也可以接熱敏電阻作輔助溫度控制和自動亮度控制。由于本設(shè)計中不用到調(diào)節(jié)LED燈亮度，故DIM端懸空。五、PT4115的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)和過溫保護(hù)PT4115具有動態(tài)溫度調(diào)節(jié)的功能，并且可以在此功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)過溫保護(hù)。動態(tài)溫度調(diào)節(jié)的電路圖如下左圖所示。從圖中可見，

14、DIM端內(nèi)部是一個1M的上拉電阻，連接到內(nèi)部5V電源上。所以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，溫度的變化會影響NTC的阻值，進(jìn)而影響DIM端電壓，以實現(xiàn)PT4115的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)。過溫保護(hù)的實現(xiàn)從如下右圖中可見，相對于左圖多了一個三極管，當(dāng)溫度升高時。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，三極管導(dǎo)通，DIM端接地，關(guān)斷LED電流，當(dāng)溫度降低時，PT4115重啟，因此實現(xiàn)了PT4115的過溫保護(hù)。JiciiLU叫NTC仃三*PT4lh誦罷度謂節(jié)原譚薊丄訂qiiE的過溫訐護(hù)電路開ImF目最計UM

15、1小EPW六、設(shè)計總結(jié)：本設(shè)計論文從LED的特性和驅(qū)動方式出發(fā),論述了LED的各種驅(qū)動方式，并以流過LED的電流恒定為基本目的，設(shè)計了一個簡單的LED驅(qū)動電路。在整個設(shè)計中，首先闡述了該驅(qū)動電路的基本原理，給出了理論依據(jù)。然后根據(jù)功能需要設(shè)計了一個驅(qū)動31W的LED驅(qū)動電路，并針對應(yīng)用特點(diǎn)提出了設(shè)計中還存在的不足，用實驗的方法論證了方案的可行性。在LED光源的設(shè)計中，考慮各種因素，成功的完成了用LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，使光源兼有節(jié)能、環(huán)保、長壽和美觀等特點(diǎn)。以下是設(shè)計中需要注意的問題：驅(qū)動芯片PT4115是40V的CMOS工藝制造的，電子功率器件要安全可靠地工作，必須要留有足夠的冗余度，這樣才有利于器件的散熱，所以輸入電壓最好在12V左右；PT4115內(nèi)部自帶過溫保護(hù)功能，外部過溫保護(hù)可設(shè)，對LED實現(xiàn)雙重保護(hù)；PT4115可利用模擬調(diào)光的原理以及溫度對LED電流的負(fù)反饋實現(xiàn)LED燈具動態(tài)溫度控制，只要在調(diào)光端(DIM)加一熱敏電阻或PN結(jié)即可實現(xiàn)PWM調(diào)光，但PWM調(diào)光有其劣勢，主要反映在PWM調(diào)光很容易使得白光LED的驅(qū)動電路產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲，所以本設(shè)計中沒有設(shè)計PWM調(diào)光。驅(qū)動3個1W的LED燈比只驅(qū)動一個3W的LED燈的發(fā)光效率更高。在以市電為輸入電源的LED驅(qū)動方案中，有隔離