【正文】 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 驅(qū)動電源設(shè)計(jì)的原則，結(jié)合現(xiàn)有大功率 LED 驅(qū)動控制電路形式，分析比較了幾種恒流驅(qū)動控制芯片，最后完成了三種可行的基于 PT4107 的驅(qū)動控制電源。該專用電源系統(tǒng)具有一定的控制功能，可實(shí)現(xiàn)輸出功率的實(shí)時控制及亮度的調(diào)節(jié)。下面主要就搜集到的大功率 LED 的相關(guān)電學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了整理。 圖 21 同一批次隨機(jī)挑選的白光 LED 的電流一電壓特性之間的差異性 上圖所示的是不同白 光 LED 之間，甚至是從同一產(chǎn)品批次中隨機(jī)挑選的LED 之間的正向電流電壓特性的差異 ]7[ 。而且， LED 正向?qū)ê?，外加正向電壓的?xì)小變動都將引起 LED 電流的很大變化，從而導(dǎo)致出射光光強(qiáng)的變化。 如圖 22 所示為 VFIF特性曲線 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 22 VFIF 曲線 由于 LED 的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，光通量(? )與 IF 的關(guān)系曲線，因此，采用恒流源驅(qū)動可以更好地控制亮度。所以，采用恒壓 源驅(qū)動不能保證 LED 亮度的一致性，并且影響 LED 的可靠性、壽命和光衰。 大功率 LED 光電特性 一般來說，隨著輸出功率增加大功率照明 LED 模塊內(nèi)部將溫度上升，從而導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光效率下降 ]8[ 。 大功率 LED 色溫與光效特性 圖 23 顯示了用 1mm?1mm 的大尺寸 GaN 基藍(lán)光 LED 芯片和 YAG， Ce 黃光熒光粉在食人魚支架上封裝的大功率白光 LED 的色溫和光功率隨著電流的變化關(guān)系 ]9[ 。大電流下， LED 的功率并沒有明顯的飽和或下降，表明 LED 散熱性能良好，因?yàn)椴涣嫉膶?dǎo)熱性將使得 LED 結(jié)溫升高，導(dǎo)致復(fù)合發(fā)光效率的下降。色溫隨著電流的增加而下降，小電流下色溫較高，為 5300K，色坐標(biāo)處于淡黃色區(qū)域，電流增加時，色溫迅速降低，在 50mA 下降至 4850K，然后色溫隨電流增加逐漸飽和。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 圖 23 色溫和光功率隨著電流的變化關(guān)系 大功率 LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)原則 基于大功率 LED 特性的設(shè)計(jì)原則 LED 壽命方面，雖然單顆 LED 本身的壽命長達(dá) 10 萬小時，但其應(yīng)用時必須搭配電源轉(zhuǎn)換電路，故 LED 照明器具整體壽命必須從光電整合應(yīng)用加以考慮。在考慮長壽命的同時又不能增加太多的成本，電源與驅(qū)動電路的壽命與成本通常不肩 {超過照明系統(tǒng)總成本的三分之一，在半導(dǎo)體照明燈具產(chǎn)品發(fā)展的初期，必須平衡好電源與驅(qū)動電路的壽 命與成本的關(guān)系 ]14[ 。因此，要用 LED 作照明光源就要解決電源變換問題。給 LED 供電的電源必須注意以下事項(xiàng) ]15[ : 1. LED 是單向?qū)щ娖?件，由于這個特點(diǎn)，就要用直流電流或者單向脈沖電流給 LED 供電。 LED 的門限電壓一般在 以上，正常工作時的管壓降為 3V~4V。因此，流過 LED 的電流和加在 LED 兩端的電壓不成正 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 比。由于這個特點(diǎn)，所以 LED 不易直接用電壓源供電，必須采用限流措施，否則隨著LED 工作時溫度的升高，電流會越來越大，以至損壞 LED。 LED 的光通量隨著流過 LED 的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。 另外， LED 也和其他光源一樣，所能承受的電功率是有限的。由 于生產(chǎn)工藝和材料特性方面的差異，同型號的 LED 的勢壘電勢以及 LED 的內(nèi)阻也不完全一樣，這就導(dǎo)致 LED 工作時的管壓降不一致，再加上 LED 勢壘電勢具有負(fù)的溫度系數(shù)，因此， LED 不易直接并聯(lián)使用。 針對目前 功率型 LED 燈具驅(qū)動電源存在的問題，我們結(jié)合自身開發(fā)和選用功率型 LED 恒流源的考慮，以期共同推動 LED 照明產(chǎn)品整體質(zhì)量的提高 ]19[ 。為了防止這種情況發(fā)生，大功率 LED 一般必須采用恒流方 式供電。內(nèi)部損耗小了，電流源的可靠性才能得到保障。電流源可以用電池供電，但更多的應(yīng)用是由 ACDC 降壓變換器來擔(dān)當(dāng)，整流器是將交流變?yōu)橹绷鞯牡谝徊健榱斯?jié)能和減少污染，在開發(fā)和選用時必須重視更新?lián)Q代。也就是說 ≥50W 的 LED 燈不僅功率因數(shù) (PF)，而且其諧波干擾也必須滿足這類標(biāo)準(zhǔn)要求。介于 LED 本身是低壓工作器 件，結(jié)合通訊、汽車照明、與太陽能供電配套、工礦燈安全照明等的特點(diǎn)，行家認(rèn)為大功率 LED 電源的供電電壓以接近 48V、 36V、 24V、 15V、 5V等標(biāo)準(zhǔn)電壓為好。隔離式的前級 ACDC 變換可以自然地為 LED 提供安全工作條件，不應(yīng)輕易改用非隔離式結(jié)構(gòu)。1520%作為輸入源電壓的公差范圍。因而現(xiàn)代電子設(shè)備產(chǎn)品通常要求輸入交流電壓范 圍能達(dá) 85～ 265VAC，這樣無疑增大了設(shè)計(jì)成本，體積及設(shè)計(jì)難度。20％進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并設(shè)一選擇開關(guān)，其實(shí)質(zhì)是 220VAC 輸入時選用橋式整流方式，而 110VAC 輸入時改用倍壓整流方式。為了提高驅(qū)動源的可靠性，恒流驅(qū)動源最好選用集成芯片設(shè)計(jì)，這便于 實(shí)現(xiàn)外部調(diào)光，減少外圍元件，使結(jié)構(gòu)更緊湊。 7． EMI 要求 與所有電子類產(chǎn)品一樣，功率型 LED 燈具必須能滿足相關(guān)的 EMI 國際和國家標(biāo)準(zhǔn)要求。但這些應(yīng)用對 LED 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)也提出了新的要求，包括：輸入電壓范圍一般要求為6V 到 24V；具有沖擊負(fù)載保護(hù)、反相和 過壓保護(hù)；待機(jī)功耗非常低；低帶隙基準(zhǔn)以減少電流檢測損耗以及具有 PWM 調(diào)整亮度的功能等。 簡單驅(qū)動電路 如 圖 24 所示，簡單驅(qū)動電源電路包括阻容降壓、全橋整流、電容濾波、壓敏電阻或瞬變電壓抑制二極管等。下圖為最簡單阻容降壓式電路結(jié)構(gòu)，可以用在信號報警閃光燈上。該電路可以廣泛應(yīng)用于夜光燈、按鈕指示燈以及要求不高的位置指示燈等場合。它的架構(gòu)非常簡單，但 LED 的電流會隨著落在 LED 兩端的電壓而改變，如果 LED 順向偏壓不一致或輸入電壓有些許變動都會對 LED 的亮度產(chǎn)生影響。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 26 恒壓驅(qū)動電路 恒流驅(qū)動電路 與恒壓模式驅(qū)動器相比，恒流模式驅(qū)動器可以控制流經(jīng) LED 的電流，而不受 LED 順向偏壓及輸入電壓的不同所影響，圖 27 為恒流驅(qū)動電路。 PWM 變換器通過重復(fù)通 /斷開關(guān)工作方式把一種直流電壓 (電流 )變換為高頻方波電壓 (電流 )，再經(jīng)過整流平波后變?yōu)榱硪环N直流電壓 (電流 )輸出。另一種是保持導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)工作周 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 期的脈沖頻率調(diào)制 (PFM)方式。當(dāng)輸入、輸出之間需要進(jìn)行電氣隔離時，可采用變壓器進(jìn)行隔離和升降壓。 PWM 基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定 ]2[ 。 2． PWM 驅(qū)動方式 PWM 實(shí)現(xiàn)恒流 /恒壓的基礎(chǔ)上，人們用 PWM 直接進(jìn)行調(diào)光，前文已有闡述到因?yàn)?LED 的亮度受電流的控制，所以利用 PWM 改變平均電流的大小來實(shí)現(xiàn)光亮度的調(diào)節(jié)。 PWM 電路原理分析知其直接驅(qū)動能力較弱，同樣要配合功率開關(guān)管放大電路放大驅(qū)動能力。其應(yīng)用存在于 LED 大屏幕驅(qū)動顯示、大型 LED 液晶電視背光源驅(qū)動、信號報警閃光燈驅(qū)動、室內(nèi)外彩飾亮度調(diào)節(jié)等，并且此類驅(qū)動芯片正不斷涌現(xiàn)在更廣泛的 LED 應(yīng)用領(lǐng)域，隨著大功率 LED 發(fā)光效率的不斷提高，很可能會成為普通照明的驅(qū)動選擇。如圖 29 是飛利浦公司開 發(fā)的一款高檔次大功率 LED 驅(qū)動電源電路結(jié)構(gòu)框圖，此電路包括電磁干擾模塊、 ACDC 轉(zhuǎn)換模塊、 PFC 無功補(bǔ)償模塊、 DCDC 轉(zhuǎn)換模塊、控制集成電路模塊 (即 PWM 脈寬調(diào)制模塊 )等，功率因數(shù)達(dá)到90%以上，壽命可達(dá)到 50000h 以上，同時還可完成 100%到 1%的調(diào)光控制 ]2[ 。本章節(jié)主要講述了大功率 LED 的特性，其中包括大功率 LED 的光學(xué)和電學(xué)特性，為設(shè)計(jì)大功率LED 驅(qū)動電路奠定基礎(chǔ)，并闡述了 LED 驅(qū)動方式的分類，分為恒壓式和恒流式驅(qū)動電路，并做了簡單的比較，為下文為什么要引用恒流式驅(qū)動芯片而不是恒壓式驅(qū)動芯片做了說明，并將大功率 LED 驅(qū)動電路的發(fā)展趨勢做了簡要的介紹，對現(xiàn)有驅(qū)動電路進(jìn)行比較分析，為整體電路的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。當(dāng)然，具體的芯片還要根據(jù)電路的需求最后選定。 單芯片構(gòu)成的驅(qū)動電源 若采用 120 個 LED 串聯(lián)使用，則可以保證通過每一個 LED 的電流均相等，即可保證每一個 LED 的亮度是一樣的，但這樣設(shè)計(jì)是存在弊端的。 若采用兩路 60WLED 串并聯(lián)使用，這樣電壓約為 230V，同樣很高， 不可取，且采用一個驅(qū)動源驅(qū)動時，由于 LED 內(nèi)部構(gòu)造必定存在差異性，不能保證每路 LED 流過的電流均相等。所以這樣的電路不可取。 多芯片構(gòu)成的驅(qū) 動電源 要制做 120W 大功率 LED 路燈，要考慮到它的電流，電壓及可靠性的因素。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)的電路為每路為 30 個 LED 的 4 路 LED 串，則每路 LED 串的電流均為 350mA，電壓為 110V。 芯片的選擇 綜上所述，應(yīng)保證驅(qū)動芯片的輸出電流大于 350mA，為了有效的利用芯片，輸出電流還應(yīng)不大于 1000mA。 PT4107 恒流驅(qū)動控制芯片介紹 PT4107是一款針對高功率 LED 照明，工作于 PWM 方式的高效 LED 驅(qū)動控制電路，借助于一個外部電阻和電容 PT4107能適應(yīng)從 18V 到 450V 的寬輸入電壓范圍。當(dāng)電壓在輸入電壓引 腳超過 UVLO 閾值時柵極驅(qū)動器就啟用。檢測電阻的電壓供應(yīng)到 PT4107的 CS 引腳。閾值內(nèi)部設(shè)置，也可以通過采用外部電壓到LD 引腳進(jìn)行編程。它以獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)，采用峰值電流檢測為大功率LED 提供恒定的供電電流。PT4107還為使用者提供良好的調(diào)光措施 （ SW1： 5K 的可調(diào)電位器），即通過在 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 線性調(diào)光輸入端施加一個控制電壓來控制渡過 LED 的電流，從而達(dá)到線性改變LED 亮度的目的。 PT4107采用矽威專利的電流補(bǔ)償技術(shù)，使得 LED 電流在很寬的輸入電壓范圍以及不同 LED 個數(shù)的條件下保持恒定。整體供電效率可達(dá) 90％， 每個 PT4107可以驅(qū)動 30串多并的 LED 組合 ，達(dá)到了高效低成本的驅(qū)動要求 ]7[ 。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 表 33 管腳定義 管腳名稱 描述 GND 接地 CS 感應(yīng) LED 串電流 LD 通過電流檢測比較器改變電流限制閾值實(shí)現(xiàn)線性調(diào)光 RI 振蕩器的頻率控制。通過一個熱敏電阻使該引腳連接到GND 。內(nèi)部 100kohm 電阻拉至 5 V 電壓 VIN 經(jīng)過一個電阻連接輸入電壓為 18V450VDC GATE 驅(qū)動器的外置 MOSFET 門 PT4107 工作參數(shù) 表 32 所示為 PT4107 操作范圍。 表 32 PT4107 操作范圍 符號 項(xiàng)目 取值 單位 Vin VDD 輸入電壓 0~20 V 其它引腳 0~5 V Topt 操作溫度 40~+85 C. Ivin 最大輸入電流 10 mA 本章小結(jié) 本章節(jié)主要講述了大功率 LED 路燈的設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用于 LED 驅(qū)動的恒流芯片的種類，比較幾種芯片，最終選定了適應(yīng)本路燈方案的 PT4107 做為驅(qū)動電路的驅(qū)動芯片。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 第 4章 基于 PT4107 大功率 LED 驅(qū)動電源的設(shè)計(jì) 驅(qū)動電路總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)構(gòu)成 PT4107提供了一個峰值電流檢測同時為 LED提供連續(xù)電流的連續(xù)模式的BUCK轉(zhuǎn)換器。 PT4107為我們提供了方便的低成本的大功率 LED 驅(qū)動解決方案，是大功率 LED 驅(qū)動的最好選擇之一。根據(jù)對驅(qū)動電路的不同要求設(shè)計(jì)出三種用于驅(qū)動大功率 LED的驅(qū)動電路： 簡單并聯(lián)形式 驅(qū)動電路、具有保護(hù)隔離的并聯(lián)形式驅(qū)動電路、單元化形式的驅(qū)動電路。驅(qū)動 電路主要包括整流模塊和驅(qū)動模塊，下面對這兩個模塊進(jìn)行詳細(xì)的說明。但是半波整說是以 犧牲 一半交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低，因此常用在高電壓、小電流的場合，而在一般無線電裝置中很少采用；然而全波整流電路，需要變壓器有一個使兩端對稱的次級中心抽頭，這給制作上帶來 很多的麻煩。而橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟瑢⒄?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓。 如 圖 42為橋式整流電路 ，橋式整流電路工作原理如下：在 AC的正半周內(nèi)，二極管 D1， D2導(dǎo)電， D3， D4截止，電路中構(gòu)成了 D1，驅(qū)動電路， D2通電回 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 路；在 AC的負(fù)半周內(nèi)，二極管 D3， D4導(dǎo)電， D1， D2截止，電路中構(gòu)成了 D3，驅(qū)動電路， D4通電回路。 本整流橋使用的整流二極管是 1N4004