【正文】 正、負(fù)半周均有電流流過(guò)負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，而且無(wú)論在正半周還是負(fù)半周，流過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的電流方向都是一致的，因而使輸出電壓的直流成分得到提高，脈沖成分被降低。但是，這種單向脈動(dòng)電壓往往包含著很大的脈動(dòng)成分，距離理想的直流電壓還差的很遠(yuǎn)。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成 橋 式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。另外，這種電路中，每只整流二極管承受的最大反向電壓，是變壓器次級(jí)電壓最大值的兩倍，因此需用能承受較高電壓的二極管。 圖 41 基于 PT4107大功率 LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì) 整流模塊 整流電路可以分為單相半波整流電路，單相全波整流電路，單相橋式整流電路。如圖 41為電路的系統(tǒng)構(gòu)成。 本課題的設(shè)計(jì)目的為做一個(gè)用于驅(qū)動(dòng) 30W， 60W， 90W， 120W路燈的多功能驅(qū)動(dòng)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，即照明燈亮度的調(diào)節(jié)。它具有兩種調(diào)光功能，低頻的 PWM信號(hào)調(diào)光和線性可變電阻調(diào)光；另外提供了溫度檢測(cè)功能，通過(guò)一個(gè)熱敏電阻檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境溫度，為整個(gè)系統(tǒng)的可靠的工作提供了安全的保證。并詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)芯片 PT4107 性能。 PT4107 恒流驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端電壓范圍為 0 到 20 伏，輸入電流最大為 10mA，其它引腳的電壓范圍為 0~5V， PT4107的操作溫度為 40~+85 攝氏度，這個(gè)操作范圍十分適用于室外的環(huán)境溫度。一旦電壓低于 ROTP 引腳預(yù)先定義的值， PWM輸出將被禁用 PWMD 低頻 PWM 調(diào)光引 腳，也叫做使能輸入。在此引腳和地面之間連接電阻以設(shè)置 PWM頻率 ROTP 溫度傳感輸入引腳。 PT4107 基本性能 PT4107 是一個(gè)高電壓降壓控制器的通用型高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器，它有很多優(yōu)良的特性，具體的特性如下： 1. 高效率 :大于 90% 2. 寬輸入電壓范圍 :從 18V 到 450V 3. 以恒定電流方式驅(qū)動(dòng) LED 4. 支持毫安級(jí)到安培級(jí)的輸出應(yīng)用 5. 支持一個(gè)到上百個(gè) LED 的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用 6. 支持低頻可變占空比的數(shù)字脈沖調(diào)光功能 7. 支持線性調(diào)光功能 (SW1:5K 的可調(diào)電位 ) 8. 采用頻率抖動(dòng)減少輻射 EMI 干擾 9. 可外部設(shè)定過(guò)溫保護(hù) PT4107 管腳配置 圖 31 所示為 PT4107 芯片圖 圖 31 PT4107管腳配置 表 33是對(duì) PT4107管腳的具體描述。并為系統(tǒng)提供了安全可靠的過(guò)流過(guò)溫保護(hù)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。此外， PT4107也支持低頻的數(shù)字脈沖調(diào)光功能 (輸出 LED 個(gè)數(shù)少于 5個(gè)時(shí)適用 )。 LED 的電流可以通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)南蘖麟娮鑱?lái)設(shè)定。通過(guò)外部的電阻可設(shè)定 PT4107以最高 300KHZ 的固定頻率控制外部功率 MOS 管。當(dāng) CS 引腳的電壓超過(guò)峰值電流感應(yīng)電壓閾值，柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)終止， 功率 MOSFET 關(guān)閉。通過(guò)限制外部功率 MOSFET 的峰值電流來(lái)控制輸出電流。由外部電阻器和一個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓將高輸入電壓從 110VAC 或 220VAC 糾正鉗位到 20V。再根據(jù)輸入電壓的范圍，最終選定 PT4107為本驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片。 設(shè)計(jì)的電源采用四個(gè)恒流源芯片 (保證了每路 LED 的電流相等 )共用一個(gè)電壓輸入端的方法，這樣既保證了可靠性，又降低 了成本，所以這樣的驅(qū)動(dòng)電路可行。在設(shè)計(jì)中，本人還考慮要設(shè)計(jì)一個(gè)可用于 30W， 60W， 90W， 120W 的驅(qū)動(dòng)電源，即根據(jù)路燈的不同瓦數(shù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的輸出管腳進(jìn)行設(shè)置，即可完成對(duì)不同規(guī)格的路燈的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)每路為 30 個(gè) LED，又提升了電路的可靠性。 綜上所述，采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng) 120W 的大功率 LED 路燈是不可取的。 1W 大功率 LED 的額定電流為 350mA，兩路LED 需要的電流則為 700mA，當(dāng)恒流源輸出 700mA 電流時(shí)，由于每路 LED 的電流不相等，則使其中一路 LED 串的電流高于 350mA，另一路低于 350mA，這樣高于 350mA 的 LED 串會(huì)很快燒毀，又使所有的電流流向最后一路 LED，最后使這一路 LED 也很快燒毀。串聯(lián)120 個(gè) LED 勢(shì)必會(huì)使路燈的整體可靠性下降，當(dāng)一個(gè) LED 毀壞時(shí)，整個(gè) LED路燈就會(huì)被毀壞，且串聯(lián) 120 個(gè) LED 后，對(duì) LED 串的供電電壓就會(huì)很大， 120 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 個(gè) LED 的供電電壓大約可達(dá)到 450V，這是不可取的，所以不考慮將 120 個(gè)LED 串聯(lián)使用。 表 31 幾款常用驅(qū)動(dòng)大功率 LED 的驅(qū)動(dòng)芯片 1W 到 10W 的 LED 降壓恒流驅(qū)動(dòng) IC 型號(hào) 輸入 輸出電流 效率 使能 封裝 CMD7136 ~6V 400mA1A 85% 無(wú) SOT893 CMD7135 ~6V 350mA 85% 無(wú) SOT893 CMD7132 ~6V 320mA 85% 無(wú) SOT893 CMD7128 ~6V 280mA 94% 無(wú) SOT893 CMD5612 ~6V 1200mA 94% 無(wú) TO252 PT4115 8~30V 1200mA 94% 有 SOT895 CMD7150 4~40V 1500mA 94% 有 TO2525 AMC7150 4~40V 1500mA 94% 有 TO2525 CMD736 4~40V 3000mA 90% 有 TO253 CMD735 4~40V 1500mA 90% 有 TO2525 CMD733 4~40V 1000mA 90% 有 DIP8,SO8 CMD34063 4~40V 1500mA 90% 有 DIP8,SO8 PT4107 85~450V 1000mA 90% 有 SOP8 芯片的選定 現(xiàn)在市面上常見(jiàn)的大功率 LED 為 1WLED，在做一個(gè) 120W 大功率 LED 路燈時(shí)，需要 120 個(gè)大功 率 LED，那么就要考慮這些 LED 的聯(lián)接方式。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 第 3章 控制驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)選型 常用大功率 LED的恒流驅(qū)動(dòng)芯片 由表 31 不難看出，各個(gè)恒流源芯片的輸入電壓存在一定的差別 ]4[ ，大概分為三個(gè)類型， ~6V， 4~30V， 85~450V，芯片的輸出電流也存在一定的差別，也可分為三個(gè)類型，分別為小于 1000mA、 1000mA~2020mA、大于2020mA，設(shè)計(jì) 1W 的 LED 路燈時(shí)，對(duì)電流的選擇范圍為小于 1000mA 就可以。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 29 大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片原理圖 本章小結(jié) LED 驅(qū)動(dòng)電源是 LED 燈具的關(guān)鍵所在，它就好比一個(gè)人的心臟，要制造高品質(zhì)的、用于照明的 LED 燈具必須放棄恒壓方式驅(qū)動(dòng) LED。 3． PWM 驅(qū)動(dòng)電路 ACDC 轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)交流電間接驅(qū)動(dòng) LED，是現(xiàn)在對(duì)大功率 LED 的主流實(shí)現(xiàn)方案。與 PWM 調(diào)節(jié)控制 模式相區(qū)別，仍然保持脈沖的形式直接驅(qū)動(dòng) LED，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)同樣通過(guò)取樣電阻實(shí)現(xiàn)恒流，這樣的驅(qū)動(dòng)形式既保持了峰值電流的可控且穩(wěn)定，又可以實(shí)現(xiàn)平均電流的 PWM 調(diào)節(jié)。 PWM 驅(qū)動(dòng)電路是由 PWM 信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，又分為線性驅(qū)動(dòng)和脈沖驅(qū)動(dòng)。 圖 28 PWM 變換器的工作原 理 PWM 技術(shù)最初及更廣泛的應(yīng)用是在數(shù)控、調(diào)頻等技術(shù)領(lǐng)域中，并已普遍應(yīng)用于穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源控制方案中，在 LED 要求恒流驅(qū)動(dòng)的電源控制方案中也得到很好應(yīng)用。PWM 變換器的工作原理如下圖所示。 如圖 28 所示， PWM 變換器有功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管及濾波電路組成。對(duì)于這種變換器，有兩種工作方式 :一種是保持開(kāi)關(guān)周期 Ts 不變，改變控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間及占空比寬度調(diào)節(jié) (PWM)方式 。 圖 27 恒流驅(qū)動(dòng)電路 PWM 調(diào)制驅(qū)動(dòng)控制電路 1． PWM 控制方式 為了實(shí)現(xiàn) LED 恒流控制，大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器一般都有支持 PWM 調(diào)節(jié)的功能。如圖 26 所示為恒壓驅(qū)動(dòng)電路。 圖 25 普通大功率 LED 交流驅(qū)動(dòng)電路 恒壓驅(qū)動(dòng)電路 恒壓驅(qū)動(dòng)電路在外部輸入的電壓有變化時(shí) ,恒壓驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電壓均保持不變。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 24 普通大功率 LED 直流驅(qū)動(dòng)電路 圖 25 所示電路中利用兩只反并聯(lián)的二極管對(duì)降壓后的 交流電壓進(jìn)行整流。但這種電路結(jié)構(gòu)的電源效率只達(dá)到 70%左右。 針對(duì)這些需求， 工程師們 提供了全系列 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案，可以為用戶提供全面的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案。 大功率 LED驅(qū)動(dòng)控制電路的分類 由于大功率 LED 在壽命上具有很大優(yōu)勢(shì)，所以發(fā)展前景非常廣闊，其中最被看好的照明應(yīng)用是汽車、醫(yī)療設(shè)備和儀器儀表及其它特種照明環(huán)境。同時(shí)精心設(shè)計(jì)輸出級(jí)使其輸出電流和電壓符合 LED 照明要求，是保證亮度穩(wěn)定和提高可靠性的重要環(huán)節(jié)。 6．輸出級(jí)的設(shè)計(jì) LED 驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)可以在普通穩(wěn)壓源的基礎(chǔ)上增加電流檢測(cè)，使穩(wěn)壓、穩(wěn)流由同一反饋回路完成，也可以在電壓源輸出端增加一級(jí)恒流變換級(jí)驅(qū)動(dòng) LED。為滿足這一通用輸入要求，實(shí)現(xiàn)的途徑一般有兩個(gè)：一是直接按 85～ 265VAC 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)；二是按 220VAC177。但這給產(chǎn)品的生產(chǎn)管理和在世界范圍內(nèi)的銷售帶來(lái)不便。 5． AC 輸入電壓范圍 通常取額定值的 177。 4．有完善有效的安全保護(hù)功能 電流源應(yīng)具有安全保護(hù)功能，這些保護(hù)包括：過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)。 3．盡可能使 LED 電源電壓向安全低壓標(biāo)準(zhǔn)靠攏 由于新興的 LED 照明業(yè) xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 還未來(lái)得及建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， LED 電源的設(shè)計(jì)基本取決各個(gè)企業(yè)開(kāi)發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品的考慮。凡 ≥50W 的電源其功率因數(shù)和產(chǎn)生的諧波必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。 整流器和平滑濾波器結(jié)合工作的結(jié)果是使電網(wǎng)輸入電流波形發(fā)生畸變，電能利用率降低，通常只有約 60%或更低，這就是說(shuō)，一個(gè) 60W 的 LED 燈在不考慮變換 損耗的情況下，從電網(wǎng)吸收的功率實(shí)際是 60/=100W，白白浪費(fèi)了 40W或更多，并產(chǎn)生大量諧波污染電網(wǎng)，危害著其他用電設(shè)備。 2．必須盡可能提高電能利用率，以達(dá)到最大節(jié)能效果 LED 的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能。為了盡可能提高電流源的效率，減少發(fā)熱，電流源的輸入電壓必須得到合理控制，使其最大值在扣除內(nèi)部壓降后同電流一樣，也與 LED 需要的總電壓相匹配。 1．必須針對(duì) LED 具體要求來(lái)設(shè)計(jì)和選用驅(qū)動(dòng)源 LED 的正向伏安特性和普通二極管類似，外加正向電壓稍有變化，其正向電流將產(chǎn)生很大變化，致使LED 內(nèi)部損耗及發(fā)熱快速上升，嚴(yán)重影響 LED 的正常工作和壽命。 基于電源效率的設(shè)計(jì)原則 功率型 LED 應(yīng)用于各種場(chǎng)合的照明，通過(guò)近幾年業(yè)界的共同關(guān)注和推進(jìn)已得到快速的發(fā)展， LED 早已不僅僅局限于指示類應(yīng)用領(lǐng)域，隨著其應(yīng)用的不斷擴(kuò)大譬如功率型 LED 路燈、功率型 LED 隧道燈、功率型筒燈等等都已得到很好的推廣應(yīng)用，但所有這類燈具目前都存在驅(qū)動(dòng)源性能指標(biāo)不夠理想的局面，這就導(dǎo)致燈具 的穩(wěn)定性和可靠性無(wú)法得到保障。如果加在LED 上的電功率超過(guò)一定數(shù)值， LED 也可能損壞。因此，應(yīng)該使 LED 在一個(gè)發(fā)光效率比較高的電流值下工作。流過(guò) LED 的電流和 LED 的光通量的比值也是非線性的。 4． LED 的 PN 結(jié)的溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高時(shí) LED 的勢(shì)壘電勢(shì)降低。 3． LED 的電流 電壓特性是非線性的，流過(guò) LED 的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動(dòng)勢(shì)減去 LED 的勢(shì)壘電勢(shì)后再除以回路的總電阻 (電源內(nèi)阻、引線電阻和 LED 體電阻之和 )。 2. LED 是一個(gè)具有 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，具有勢(shì)壘電勢(shì)，這就形成了導(dǎo)通門限電壓，加在 LED 上的電壓值超過(guò)這個(gè)門限電壓時(shí) LED 才會(huì)充分導(dǎo)通。 LED 實(shí)際上是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的低電壓?jiǎn)蜗驅(qū)щ娖骷?LED 驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有直流控制、高效率、 PWM 調(diào)光、過(guò)壓保護(hù)、負(fù)載斷開(kāi)、小型尺寸以及簡(jiǎn)便易用等特點(diǎn)。 原始電源有各種形式，但現(xiàn)有大部分電源，一般都不能直接給 LED 供電。但對(duì)照明用 LED，為達(dá)到匹配要求，電源與驅(qū)動(dòng)電路的壽命必須超過(guò) 10 萬(wàn)小時(shí)，使其不再成為半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的瓶頸因素。這表明隨著電流增加，熒光強(qiáng)度相對(duì)藍(lán)光 LED 發(fā)光強(qiáng)度有所增加 ]20[ 。根據(jù)相關(guān)色溫公式 ((McCamy 1992)計(jì)算不同注入電流下的色溫 ]10[ 。電流增大，光功率隨之增大，當(dāng)正向電流為 200mA 時(shí)光功率達(dá)到。另外，隨著照明 LED 單燈功率的增大，管芯的尺寸隨之增大，這將在芯片內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)分布，同樣會(huì)使發(fā)光效率下降。因此，超高亮 LED 通常采用恒流源驅(qū)動(dòng) ]2[ 。此外， LED的正向壓降變化范圍比較大 (最大可達(dá) 1V 以上 )，而由上圖中的 VFIF 曲線可知， VF 的微小變化會(huì)引起較大的 IF 變化，從而引起亮度的較大變化。再如下圖為某類 LED 正向壓降 (VF)和正向電流的 (IF)關(guān)系曲線，由曲線可知，當(dāng)正向電壓超過(guò)某個(gè)閾值 (約 2V，區(qū)