基于結(jié)溫保護(hù)的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

壽命長(zhǎng)、效率高是有前提的，即適宜的工作條件。其中影響壽命和發(fā)光效率的主要因素是 LED 的工作結(jié)溫。從主流 LED 廠(chǎng)家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，LED 的發(fā)光效率與結(jié)溫幾乎成反比，壽命隨著結(jié)溫升高近乎以指數(shù)規(guī)律降低。因此，將結(jié)溫控制在一定范圍是確保 LED 壽命和發(fā)光效率的關(guān)鍵。而將結(jié)溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外，將結(jié)溫納入驅(qū)動(dòng)電源的控制參數(shù)是十分必要的。

　　1 LED 結(jié)溫的檢測(cè)

　　LED 的結(jié)溫是指 PN 結(jié)的溫度，實(shí)際測(cè)量 LED 的結(jié)溫比較困難，但是可以根據(jù) LED 的溫度特性間接測(cè)量。

　　LED 的伏安特性和普通的二極管相似。用于白光照明的藍(lán)光 LED 典型的伏安特性如圖 1 所示。

　　圖 1 LED 的伏安特性

　　LED 的伏安特性和其它二極管一樣具有負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)，即在結(jié)溫升高時(shí) I/V 曲線(xiàn)出現(xiàn)左移現(xiàn)象，如下圖所示。

　　圖 2 伏安特性的溫度特性

　　一般 LED 的結(jié)溫每升高 1°C ,I/V 曲線(xiàn)會(huì)向左平移 1.5~4mV,假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會(huì)增加，電流增加只會(huì)使它的結(jié)溫升得更高，甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)。所以，目前 LED 驅(qū)動(dòng)電源一般設(shè)計(jì)為恒流供電。

　　根據(jù) I/V 曲線(xiàn)隨結(jié)溫升高左移的規(guī)律，在恒流供電的情況下，測(cè)量 LED 的正向電壓就可以推算 LED 結(jié)溫。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，往往不需要確定 LED 結(jié)溫的特別精確的數(shù)值，此時(shí)可以用試驗(yàn)的方法確定整體燈具 LED?光源結(jié)溫的估算數(shù)值。以一個(gè) 12W 筒燈為例，光源部分由 4 并 6 串中功率 LED 組成，其電路連接形式如下：

　　圖 3 LED 光源電路連接圖

　　確定正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系的試驗(yàn)步驟為：1)將光源置入恒溫箱中;2)設(shè)置恒溫箱的溫度;3)待恒溫箱內(nèi)溫度充分平衡穩(wěn)定后，在光源兩端接入恒流源;4)迅速測(cè)量光源的正向電壓并記錄;5)重復(fù)上述步驟 1)~(4)，恒溫箱溫度由低到高，測(cè)得多點(diǎn)數(shù)據(jù)。

　　按上述步驟，對(duì) 12W 筒燈光源進(jìn)行三次測(cè)量，數(shù)據(jù)如下：

　　表 1 LED 正向壓降與結(jié)溫的測(cè)量數(shù)據(jù)

　　由表 1 可以看出，測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)律性很明顯。

　　因測(cè)試時(shí)間較短，可以將測(cè)量時(shí)恒溫箱設(shè)置溫度近似等于 LED 光源的結(jié)溫。在 600mA 恒流的情況下，通過(guò)數(shù)學(xué)方法不難得出光源模塊正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系。利用 Excel 工具，以溫度為 X 軸，平均值為 Y 軸，生成(X,Y)散點(diǎn)圖，選擇線(xiàn)性回歸分析類(lèi)型則可生成如下趨勢(shì)圖和公式。

　　圖 4 Excel 生成的趨勢(shì)圖

　　由此可見(jiàn)，一個(gè)由 4 并 6 串中功率 LED 組成的光源，在 600mA 恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)其正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系為：

　　Vf = -0.0207Tj+ 20.332 (1)

　　Tj= 982.22-48.31Vf (2)

　　式中 Vf 為 LED 光源的正向壓降，Tj 為結(jié)溫。需要注意的是，不同廠(chǎng)家不同規(guī)格的 LED 產(chǎn)品雖然都符合上述趨勢(shì)，但具體數(shù)據(jù)卻有一定的差異，因此更換廠(chǎng)家后規(guī)格型號(hào)需重新試驗(yàn)。

　　2 LM3404 介紹

　　隨著 LED 照明應(yīng)用的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)家推出了很多用于驅(qū)動(dòng) LED 的器件。其中美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的 LM3404 及系列產(chǎn)品就是一款非常適用于中小功率 LED 光源的恒流驅(qū)動(dòng)芯片。

　　LM3404 內(nèi)置 MOS 開(kāi)關(guān)管，最大輸出電流 1A,效率高達(dá) 95%. 這款芯片采用 8 引腳 SOIC 封裝，其中的一條引腳可以利用脈寬調(diào)制(PWM)輸入信號(hào)控制 LED 的光亮度。

　　此外，這款芯片可以利用低至 0.2V 的反饋電壓提供電流檢測(cè)功能。輸入電壓 6~42V,其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

　　圖 5 LM3404 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

引腳定義：

　　SW:內(nèi)部 MOS 管輸出端，一般需外接一個(gè)電感和一個(gè)肖特基二極管;

　　BOOT:內(nèi)部 MOS 管啟動(dòng)引腳，一般用一個(gè) 10nF 電容與 SW 端相連;

　　DIM:PWM 調(diào)光輸入端，通過(guò)輸入不同占空比的 PWM 信號(hào)，可調(diào)整輸出的平均功率;

　　GND:接地端;

　　CS:反饋引腳，用于設(shè)置恒流值;

　　RON:在線(xiàn)控制端，該引腳接地可使芯片停止工作并處于低功耗狀態(tài);

　　VCC:供電引腳，該端由芯片內(nèi)部提供一個(gè) 7V 電壓，應(yīng)用時(shí)接一個(gè)濾波電容到地;

　　VIN:輸入端，電壓范圍 6~42V,對(duì)于 LM3404H 范圍為 6~75V.

　　LM3404 應(yīng)用十分簡(jiǎn)單，一個(gè)用 LM3404 的典型應(yīng)用如圖 6 所示。

　　圖 6 LM3404 典型應(yīng)用電路圖

圖中，Rsns 為取樣電阻，可根據(jù)設(shè)計(jì)恒流值確定;Ron 一般選用 100k 左右的電阻;可決定開(kāi)關(guān)頻率;L1 為輸出電感，可根據(jù)設(shè)計(jì)紋波及開(kāi)關(guān)頻率等參數(shù)確定。

　　3 基于結(jié)溫保護(hù)的 LED 電源設(shè)計(jì)

　　基于結(jié)溫保護(hù)的 LED 驅(qū)動(dòng)電路關(guān)鍵在于結(jié)溫檢測(cè)和如何保護(hù)。根據(jù)上述結(jié)溫與 LED 正向電壓的關(guān)系，測(cè)量 LED 光源的正向電壓即可確定結(jié)溫，但一般 LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路的紋波較大，為避免誤保護(hù)，檢測(cè)電路必須要對(duì)測(cè)量值進(jìn)行濾波。另一方面，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)設(shè)定值時(shí)的保護(hù)措施，如能使光源降低功率工作，整個(gè)燈具降級(jí)運(yùn)行，是較為合理的方案。采用帶模擬輸入的低功耗的單片機(jī)，可以對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，并通過(guò) PWM 輸出控制驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié) LED 光源功率，可簡(jiǎn)化檢測(cè)電路和控制電路的設(shè)計(jì)。

　　Microchip 公司 PIC12F675 具有可編程的 4 通道模擬量輸入、10 位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的低功耗在線(xiàn)可編程的單片機(jī)，其內(nèi)置看門(mén)狗、4MHz 振蕩器、128 字節(jié) EEPROM,單字節(jié)指令系統(tǒng)，8 腳封裝。是一款簡(jiǎn)單實(shí)用的、性?xún)r(jià)比較高的單片機(jī)。將 LED 光源的正向電壓經(jīng)取樣后接入 PIC12F675 的模擬輸入端，經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換、去除粗大誤差、取多個(gè)數(shù)據(jù)的均值作為結(jié)溫判斷依據(jù)，輸出 PWM 信號(hào)對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的效果。

　　此外，根據(jù)測(cè)量值還可以進(jìn)行開(kāi)路判斷，從而也簡(jiǎn)化了開(kāi)路保護(hù)電路。

　　仍以光源部分由 4 并 6 串中功率 LED 芯片組成的筒燈為例，設(shè)計(jì)恒流值為 600mA,結(jié)溫保護(hù)點(diǎn)為 80℃左右，根據(jù)式(1)得出其光源電壓保護(hù)點(diǎn)為 18.68V,即光源兩端的電壓低于 18.68V 時(shí)，LED 結(jié)溫會(huì)超過(guò) 80℃，此時(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)采取保護(hù)措施。由 LM3404 和 PIC12F675 組成的基于結(jié)溫保護(hù)的 LED 電源電路原理圖如圖 7 所示。

圖 7 基于結(jié)溫保護(hù)的 LED 電源電原理圖

原理圖中，CX1、L1、L2 組成輸入 EMC 濾波電路，經(jīng) AC/DC 轉(zhuǎn)換輸出 24V 直流，如為電池供電的應(yīng)急照明、太陽(yáng)能照明、及車(chē)載照明等應(yīng)用時(shí)，則該部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7 組成典型的恒流驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)于 4 并 6 串的 LED 中功率芯片組成的光源模塊，取樣電阻為 0.39Ω。R2、R3、R4 與 LM431 組成穩(wěn)壓電路，為 PIC12F675 提供穩(wěn)定的 5V 電源和內(nèi)部 AD 轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)。

　　LM3404 的輸出經(jīng) R5、R6 分壓后輸入 PIC12F675 的模擬端口 AN2,PIC12F675 經(jīng)內(nèi)部 AD 轉(zhuǎn)換、計(jì)算獲取 LED 光源的正向電壓，根據(jù)設(shè)定值程序產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，通過(guò) GP4 引腳接入 LM3404 的 DIM 端對(duì)其輸出功率進(jìn)行調(diào)整。

　　PIC12F675 初始設(shè)置 GP4 輸出高電平，如測(cè)得 LED 正向電壓在合理范圍內(nèi)，則維持高電平輸出使 LM3404 正常工作;如 LED 正向電壓逐漸變低并低于設(shè)定值 18.68V,則在 GP4 引腳輸出 PWM 信號(hào)，其占空比可依次降低，直至 LED 正向電壓低于設(shè)定值。當(dāng)測(cè)得 LED 正向電壓很高時(shí)可判定輸出開(kāi)路， PIC12F675 可輸出低電平關(guān)閉 LM3404 的輸出。

　　需要指出的是，輸出電壓取樣包含了用于 LM3404 恒流控制的電流取樣電壓約 0.23V,在 PIC12F675 的計(jì)算程序中應(yīng)予以調(diào)整。

　　PIC12F675 的程序框圖見(jiàn)圖

　　圖 8 單片機(jī)程序框圖

4 結(jié)語(yǔ)

　　基于結(jié)溫保護(hù)的 LED 電源由于利用單片機(jī)進(jìn)行控制，很容易擴(kuò)展其它功能。如作為路燈，可通過(guò)編程使后半夜降低功率運(yùn)行，從而進(jìn)一步節(jié)能和延長(zhǎng)燈具壽命;加入其它傳感器，可實(shí)現(xiàn)按需照明;加入遠(yuǎn)程通訊模塊，可以使燈具組成智能控制網(wǎng)絡(luò)等等。