一種大功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種大功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要:大功率LED是一種新型半導(dǎo)體光源,壽命長,節(jié)能環(huán)保。該文簡(jiǎn)要介紹了LED的特點(diǎn)和電學(xué)特性,分析了現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用普通開關(guān)電源專用芯片UC3843為控制電路的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路,并對(duì)其外圍電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了大功率LED的PWM調(diào)光控制。

關(guān)鍵詞:大功率發(fā)光二級(jí)管;驅(qū)動(dòng)電路;斜坡補(bǔ)償

0引言

20世紀(jì)90年代以來,隨著氮化鎵基第三代半導(dǎo)體的興起,藍(lán)色和白色發(fā)光二極管的研制成功,具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)的固體光源LED發(fā)光二極管,真正點(diǎn)燃了綠色照明的光輝,被認(rèn)為是21世紀(jì)有價(jià)值的新光源。但是,大功率LED的電學(xué)離散性大,容易受溫度的影響,發(fā)光二極管導(dǎo)通后,加在LED兩端的電壓稍有提高,就會(huì)引起流過LED的電流急劇上升,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使LED長期超過額定電流工作,容易使LED的半導(dǎo)體芯片燒壞。要控制大功率LED的亮度,驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定的電流。大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)常用的有電阻限流、開管變換器、專用芯片等。電阻限流方式控制方法簡(jiǎn)單,但是這種方法不能解決由于供電電壓波動(dòng)引起的光通量輸出變化問題,而且能量損耗大,效率低,不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。不少半導(dǎo)體廠家推出了大功率LED專用驅(qū)動(dòng)芯片,取得了不錯(cuò)的效果,但是這種芯片價(jià)格普遍比較貴。針對(duì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn),該文提出了一種基于UC3843的峰值電流控制的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路,該電路簡(jiǎn)單易用,控制方法簡(jiǎn)單,效率高,成本低;并對(duì)UC3843的外圍電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了PWM調(diào)光控制,避免了模擬調(diào)光帶來的色坐標(biāo)偏移問題。其試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電路的可行性。

1驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成及設(shè)計(jì)

大功率LED是電流型器件,LED的亮度隨工作電流的增大而增大,為保證流過每只LED的電流相同,使每只LED的亮度均勻,采用LED串聯(lián)。整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電流檢測(cè)為PWM控制電路提供反饋,與PWM控制芯片內(nèi)的誤差放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖占空比的控制,從而穩(wěn)定流過LED的電流。PWMD是數(shù)字調(diào)光脈沖信號(hào)輸入,通過調(diào)節(jié)其占空比可以調(diào)節(jié)LED的亮度,達(dá)到調(diào)光的目的。

采用的IC芯片UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器,芯片有8個(gè)引腳,外電路接線簡(jiǎn)單,所用元件少,且性能優(yōu)越,成本低,芯片內(nèi)部具有可微調(diào)的振蕩器(能進(jìn)行的占空比控制)、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器、電流取樣比較器。電壓調(diào)整率好,頻率響應(yīng)好,穩(wěn)定幅度大;具有低啟動(dòng)電流,帶滯后的欠壓鎖定,工作頻率可達(dá)500kHz,大電流的圖騰柱式輸出,非常適合驅(qū)動(dòng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖2所示。

圖1驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖

圖2UC3843內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖

1.1驅(qū)動(dòng)主電路設(shè)計(jì)

該電路主要由UC3843,MOSFETQ1,電感L1和大功率LED串續(xù)流二極管D1及檢測(cè)電阻R12組成的BUCK型峰值電流控制模式電路,如圖3所示。利用引腳4所接的電阻電容R13和C9確定PWM的鋸齒波振蕩頻率;由R1,R2,電位器R3TL431,R4,R5,C3和UC3843內(nèi)部的誤差放大器組成電流檢測(cè)反饋的電壓基準(zhǔn)與電流檢測(cè)信號(hào)通過電流檢測(cè)比較器比較來控制PWM信號(hào)的占空比,限制流過LED的電流峰值。由此可得流過LED的電流峰值為:

Ipcak≈Is=(Vpin1-1.4V)/3R12(1)

式中,Vpin1為UC3843芯片1腳電壓,Ipcak為流過LED的電流峰值,Is為檢測(cè)電流峰值。

圖3驅(qū)動(dòng)電路原理圖

1.2斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

CCM下電感L1中的電流iL波形如圖4所示,可得:

α=△IL/△I0=D/(1-D)=m2/m1(2)

式中,Ue為誤差放大器輸出電壓,m1、-m2為電路中iL的上升和下降斜率,△I0為某個(gè)周期擾動(dòng)使iL初值產(chǎn)生的增量,△IL為該周期結(jié)束時(shí)iL的變化量。

可見,要使系統(tǒng)穩(wěn)定,應(yīng)有△IL△I0,所以有D0.5;當(dāng)D0.5時(shí),電路會(huì)出現(xiàn)次諧波振蕩,使電路不穩(wěn)定。消除諧波振蕩的技術(shù)是增加斜坡補(bǔ)償,即給Ic增加一個(gè)負(fù)斜率的斜坡。增加斜坡補(bǔ)償后,新控制量斜率為-ma。增新的m′1=m1+ma,新的m′2=m2-ma,電感電流的波形如圖5所示,式2變?yōu)?

α=(m2-ma)/(m1+ma)(3)

通過設(shè)計(jì)合理的ma,可以使|α|1,即系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。一般取ma=0.75m2。

圖4CCM模式下波形

圖5斜坡補(bǔ)償后波形

設(shè)計(jì)的斜坡補(bǔ)償電路采用CT上的峰峰值電壓信號(hào)作為斜坡補(bǔ)償?shù)妮斎胄盘?hào),圖3中斜坡補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理電路由晶體管Q4,R8,R9,R10,R12,C5,C8組成,C5為交流耦合電容,隔離腳4輸出振蕩信號(hào)中的直流分量。為減小定時(shí)電阻R13和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)之間相互影響,在振蕩器輸出和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸入之間增加了射極跟隨器。R8和R10組成分壓網(wǎng)絡(luò),在UC3843的腳3獲得斜坡補(bǔ)償信號(hào),同時(shí)R10和C8組成尖峰電流吸收器,濾除尖峰干擾信號(hào)。斜坡補(bǔ)償信號(hào)和電流檢測(cè)信號(hào)在UC3843的腳3處求和,實(shí)現(xiàn)了斜坡補(bǔ)償。

1.3調(diào)光電路設(shè)計(jì)

在UC3843內(nèi)部,電流檢測(cè)比較器的反向輸入端被內(nèi)置的齊納二極管鉗位在1V,只要芯片腳3上的電壓達(dá)到1V,端6關(guān)閉,立即使MOS管Q1關(guān)斷。因此可以通過控制腳3的輸入電壓值改變一個(gè)周期內(nèi)流過LED的平均電流來對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光控制。圖3中由R14,R15,R16,R17,Q2和Q3組成。為使人眼感覺不到燈光的閃爍,取PWMD信號(hào)的頻率為100～200HZ。當(dāng)PWMD信號(hào)為高電平時(shí),Q3截止,UC3843的3腳的信號(hào)為電流檢測(cè)信號(hào)和斜坡補(bǔ)償信號(hào)之和,此時(shí)電路正常工作;當(dāng)PWMD信號(hào)為低電平時(shí),Q3導(dǎo)通,加在3腳處的電壓超過1V,UC3843的輸出端6立即使MOS管截止。當(dāng)PWMD信號(hào)的占空比變化時(shí),一個(gè)周期內(nèi)流過LED的平均電流也發(fā)生變化,從而LED輸出的光通量也發(fā)生變化,達(dá)到控制LED亮度的目的。實(shí)際應(yīng)用中PWMD可以由具有PWM功能的簡(jiǎn)單的單片機(jī)產(chǎn)生。

2試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行測(cè)試,當(dāng)直流輸入為9.5V,輸出峰值電流為300mA,定時(shí)電阻R13為10k,定時(shí)電容為1nF,驅(qū)動(dòng)一只1W大功率LED時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果如下:當(dāng)PWMD引腳接高電平時(shí),開關(guān)管柵極的電壓信號(hào)波形Vg(下方波形)和R12的電流檢測(cè)信號(hào)的波形Vs(CH1,上方波形)如圖6所示,LED兩端電壓Ve波形如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合理論值。

當(dāng)PWMD引腳接一頻率為100Hz,占空比為50%的脈寬信號(hào)時(shí),觀察到LED的亮度明顯降低,開關(guān)管柵極的電壓信號(hào)波形(CH1,上方波形)和流過限流電阻R12的電流檢測(cè)信號(hào)的波形(CH2,下方波形)如圖8所示?；痉侠碚摲治龅慕Y(jié)果,但是調(diào)光電路的瞬態(tài)響應(yīng)還不是很理想。

圖6柵極電壓Vg和電流檢測(cè)信號(hào)Vs波形

圖7LED兩端的電壓Ve波形

圖8柵極電壓和電流檢測(cè)信號(hào)波形

3結(jié)論