摘摇要:高效稳定的恒流驱动电路是LED 照明工程设计的关键之一。应用新型驱动器件NCP3065 设计了一款LED 升压恒流驱动电路。介绍了电路的工作原理和元件参数的详细计算过程。所设计电路包含DC-DC 升压驱动部分和PWM 调光部分,可以驱动5 个1 W 串联的LED,驱动电压达16 V,电流达350 mA。实测结果表明,电路整体效率高达87. 5%,并且具有调光线性度好,性能稳定、可靠等优点,适用于各种大功率LED 的照明应用。
关键词:LED 照明;恒流;升压驱动;PWM 调光
目前,以高亮度LED 为光源的绿色照明成为广泛关注的热点。与传统的白炽灯、荧光灯相比,LED的出现使照明技术进入了固态照明的时代。LED
具有高效率、低功耗、低电压驱动、使用寿命长、安全环保、体积小等优点[1-3] 。要发挥LED 的这些优点,需要有高效、稳定、可靠的驱动电路,这也成为LED照明系统设计的关键和难点。
1摇LED 的特性
LED 是发光的半导体元件,核心是一个PN 结,电流只能正向导通。如图1 所示,当对LED 施加正向电压时,N 区的电子通过PN 结注入P 区,同样P区的空穴也注入N 区。进入对方区域的部分载流子发生复合,能量以光子的形式释放出来,使LED发光[8] 。因此,载流子越多,即电流越大,释放出的光子数也越多。有L =KI,其中,L 为LED 的发光亮度,I 为LED 正向工作电流,K 为比例常数[7] 。因此可通过控制LED 的驱动电流来控制LED 的亮度。
LED 的正向驱动电压和电流呈指数关系,电流模型为:I(Vf )= I0ekVf ,其中I 为流过LED 的电流,Vf为LED 阳极和阴极间的正向电压, k 和I0 为常
数[4] ,如图2 所示。从图2 可以看出,当LED 正向导通后,电压微小的变化都能引起很大的电流变化,试图通过控制LED 电压来控制LED 的状态并不可
取,因此LED 通常采用恒流电路来驱动。
2摇电路设计
2. 1摇设计要求
输入电压为220V 市电,要求驱动5 个1 W 的LED,串联连接,每个LED 的导通电压约为3. 2 V,驱动电流最大为350 mA,且要求亮度可调。
针对要求,5 个LED 串联的导通电压约为5伊3郾2=16 V。这里考虑采用效率高、纹波电流小的升压拓扑结构的驱动电路。当后续如果需要增加
LED 的数量时,只需要修改电路的参数,而无需改变电路的拓扑结构。从LED 电压与电流的关系图上看出正向导通的曲线比较陡峭,直接通过调节电流来调节亮度比较困难,因此调光方式选用脉宽调制,即PWM 调光的方法,即通过改变LED 在单位周期时间内的平均导通时间来调光。
2. 2摇NCP3065 驱动芯片的特性
整个电路核心的LED 驱动芯片选用安森美公司专用于LED 照明驱动的NCP3065 开关集成稳压芯片。该芯片的电压输入范围大,可从3 V 到40V;电流反馈电压仅为235 mV,能耗小;开关频率最大可达250 kHz。它内部集成了1. 5 A 的大功率达林顿驱动电路,无需外部驱动MOS 管。该芯片还具
有过热保护功能,当工作温度超过165 益时,内部输出功率管将被关断, 起到保护芯片的作用[5] 。NCP3065 芯片的内部结构如图3 所示。
其中芯片的第1、2 引脚连接内部的达林顿功率管的C 极和E 极。第3 脚外接定时电容,用于设定芯片工作时的开关振荡频率。第5 脚一边连接内部235 mV 比较器的负输入端,一边用于连接外部LED电流检测电阻,使LED 的驱动电流恒定在设定值。芯片第7 引脚为峰值电流监测端,当检测到电源的峰值电流超过设定值时,芯片将关断内部达林顿管的输出,起到保护工作电路的作用。
2. 3摇LED 驱动电路设计
整个电路的供电部分如图4 所示。220 V 的市电通过隔离变压器降压得到约为9 V 的交流电,通过4 个二极管组成的桥式整流电路和220 滋F 大电容的滤波得到直流电流作为整个驱动电路的供电电源,这时输出约为直流10. 8 V。
LED 升压驱动电路图如图5 所示。电感L1、二极管D1 和输出电容C4、C5 组成升压电路,驱动5 个串联的LED。二极管D1 选用大电流、低功耗、反向恢复时间短、正向导通电压仅为0.6 V 的肖特基二极管MBRS140LT3。其平均工作电流达到1 A,峰值电流可达到2 A,满足设计要求。由于电路为升压驱动结构,为了防止若有LED 出现断路,二极管D1 继续给输出电容充电,造成输出电压持续升高,而可能损坏电容元件,在LED 的输出端并联了一个22 V 齐纳二极管,在LED 发生故障时通过22 V 齐纳二极管来钳位输出电压。升压电路工作时的开关频率通过与芯片第3 脚连接的C6 设置。这里C6 取值2.2 nF,设置振荡频率约为150 kHz。LED 的工作电流通过与之串联的电阻R10检测,LED 驱动电流在R10上产生的压降反馈到NCP3065 芯片第5 脚的COMP 端。反馈电压与芯片内部235 mV 基准电压进行比较,比较器的输出通过芯片内部的RS 触发器微调输出达林顿管的导通周期,从而使LED 的驱动电流稳定在设定值。电流检测电阻R10的取值为235 mV衣350 mA=0.671 赘,这里取与之阻值最接近的标准电阻0.665 赘。
峰值电流检测电阻连接电源输入端与芯片第6引脚Ipk 端。由于检测电流较大,检测电阻由6 个电阻并联以分担总电流。当电源电流超过设定值
时,电流检测电阻上的压降增大到超过芯片内部比较器的基准值,内部比较器将内部RS 触发器置位,使输出达林顿管截止,及时关断LED 驱动电流,从
而保护整个电路不被大电流损坏。
2. 4摇PWM 调光电路设计
通过NCP3065 芯片Ipk 峰值电流检测端的功能可以巧妙地实现PWM 调光。如图5 所示,将一个开关三极管的集电极与芯片的Ipk 端连接,三极
管的发射极接地,三极管的基极输入PWM 信号。当开关三极管的基极输入PWM 信号的低电平时,三极管截止,NCP3065 驱动芯片正常工作;当三极
管的基极输入PWM 信号的高电平时,三极管导通,Ipk 端的电压被强制拉低,与之相连接的内部比较器输出高电平信号使芯片的内部的RS 触发器置位,
从而强制关断输出功率管,这时LED 没有电流流过。通过调节PWM 高低电平信号的占空比就能实现LED 的调光功能。
使用通用定时芯片NE555 产生PWM 调光信号。电路如图6 所示,电阻R11、R12 和电容C8 组成RC 充放电电路。电容C8 的电压将在555 芯片2 个内部比较器的基准电平之间反复振荡。从芯片的第3 引脚将输出高低电平的方波。由于接入了D3 和D4 两个二极管,电容C8 的充电电流和放电电流将流经不同的路径。通过调节变阻器R12的阻值,可以调整电容C8 的充、放电时间常数,从而调整555 输出方波的高电平和低电平时长,即调整波形的占空比。由于电容充电和放电流过的电阻总阻值不变为:R11 +R12,因此电路充放电的总时间长度不变,为T =(R11 +R12)·C8·ln2[6] 。
PWM 波形的频率选取需要折衷考虑2 个方面。若频率太低,则人眼会感觉到灯光闪烁;频率太高,则会对电路产生EMI 干扰。NCP3065 芯片说明书建议调光频率选择在200 Hz ~ 1 kHz。这里选择R11 =1 k赘,R12 = 50 k赘,电容C8 = 0. 1 滋F,则PWM信号频率为f =1/ ( R11 +R12 )·C8·ln2 =282. 9 Hz,满足上述要求。
3摇实验测量
对设计的电路进行测量,当驱动电流100% 输出时,测量得到LED 驱动电路输入电压为10. 8 V,输入电流为586 mA, LED 串两端的输出电压为
16郾11 V,流过LED 的电流344 mA,计算得到该驱动电路的工作效率为:87. 6%。用示波器观测LED 的输出端的纹波电压幅度约为:500 mV,约占输出平均电压的3. 1%。
测试PWM 调光信号的占空比与输出电流的关系如图7 所示,因为当PWM 信号为高电平时开关三极管导通,NCP3065 关断电流输出,所以PWM 信号的占空比与输出电流呈反比关系。从图上看出,PWM 信号的占空比与LED 的平均驱动电流基本呈线性关系,PWM 调光的线性度良好。
4摇结束语
本文介绍了基于NCP3065 芯片的LED 升压驱动电路设计,包括:升压电路、PWM 调光电路和相关保护电路等。并对该电路的工作参数进行测量。结果表明该电路达到设计指标的要求,能够稳定驱动5 个串联的1 瓦LED, 并有较高的效率和很好的PWM 调光线性度。该电路具有故障保护功能,当外部电路出现电流过大或温度过热时,NCP3065 芯片能够及时关断内部功率管的输出,起到保护整个电路的作用。本电路经过适当改进,可用于恶劣的环境如户外照明、建筑物照明、汽车照明等领域。