白光LED驱动电路的设计与实现

    随着LED的迅速发展。现在白光LED光源相比的传统光源具有寿命长、固体照明不易损坏、高光效、无汞环保、抗震等优点，未来将成为第三代光源，将带来照明领域的又一次革命。将LED使用到照明领域，需要适合LED的驱动电源，文中利用PWM开关控制方式设计实现了一种白光LED的大功率驱动电路。

1 LED电气特性和驱动要求
1．1 LED的电学特性
    白光LED的I-V特性与普通二极管类似，只是开启电压不同，不同材料制备的LED开启电压一般在1．5～3．0 V之间。处于正向工作区时，工作电流IF与外加电压呈指数关系
   
    式中，Is为反向饱和电流；VF为二极管两端的外加电压；q为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为热力学温度。LED可长期稳定工作时的直流电流，称为额定工作电流，此时LED压降称为额定电压。1 W的白光LED，其额定工作电流350 mA，额定电压3．3 V。允许加在LED两端正向电压与流经LED电流之积的最大值为其极限功耗，当实际功耗超过该值时，LED发光特性变差，严重时会使LED产生结构破坏。
1．2 LED驱动要求
    由LED的I-V特性可知，当加在LED两端的电压稍有波动，都会引起电流的剧烈变化，此时很容易使电流过大，输入功率超过其极限功耗，从而对LED造成不可恢复的损坏。当LED工作电流值不同时，其发光强度也不同，若采用恒压驱动，则LED阵列应采用并联方式连接，但是由于LED个体之间的参数误差，会导致各支路的电流不同，致使阵列发光强度不均匀，因此LED的驱动电路一般选择恒流驱动模式，相应的LED阵列亦采用串联方式连接，驱动电流一般设为LED额定电流的70％～85％，以保护LED，达到延长使用寿命的目的，同时也使每个LED的发光强度均匀一致。
    LED驱动电路设计中，需要考虑以下几个基本指标：
    (1)提高驱动电路的转换效率，减小电路中的功耗。(2)提高电路的可靠性，能够耐高压，具有过流检测功能。(3)电路尽量精简，有较小的电路体积和较低的制造成本。

2 PWM方式开关电路设计
2．1 PWM原理
    PWM即脉冲宽度调制，利用脉冲控制开关电路的开关时间，可以控制电路输出的平均电压或电流从而达到控制电路的输出功率。PWM开关稳压或恒流的基
    本工作原理是在输入电压、系统参数及外接负载发生变化的情况下，在固定工作频率下控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定。由于控制器件功耗小，工作在开关状态中的电路效率高，所以电源效率一般可以做到80％～90％。该类电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。PWM开关电路由4部分组成，即输入整流滤波、PWM控制、开关器件和输出滤波。根据PWM方式开关电路设计的LED驱动电路框图如图1所示。

    常见PWM开关控制信号产生部分大都实现了集成化，更加精简PWM开关电源的设计，下面介绍利用芯片HV9910B设计适用于大功率LED的典型PWM方式开关驱动电路。
2．2 电路设计
    HV9910B是一种通用LED驱动控制器，它的适应性强，即可使用国际通用的市电供电，也可以用蓄电池或者太阳能供电，而且能够接受范围较宽的输入电压。输出的恒流驱动电流范围极宽，从几十mA到1 A以上。使用HV9910B搭建的驱动器使用器件较少，电路简单，生产成本也会降低。由HV9910B设计的LED恒流驱动电路如图2所示，输入为AC 220 V的市电，负载为10只功率为1 W的LED串联组成阵列。

    电路输入级由全波整流桥和一个滤波电容组成，完成对交流电的整流滤波。控制级由HV9910B芯片搭建，经输入级滤波后的电压输入到芯片的Vin，作为电路的输入电压VI，其峰值是310 V，均值为190 V。VDD、LD、PWMD端通过电容器接GND端，以维持相应引脚的片内电压。由GATE端输出频率一定的方波脉冲信号作为开关信号控制开关管，其频率由RT端所接的电阻设定，脉冲宽度由CS端采样电阻RCS反馈的LED电流信号控制。电感L1电路中起着至关重要的作用，为驱动电路提供滤波和储能以及续流供电，以保持负载中电流的均衡性，恢复二极管完成构建续流通路的作用。在开关信号开通半周内，由前级滤波后的电势向LED负载直接供电，并给L1充电；在开关信号关断半周内，由充满能量的L1给快恢复二极管、LED组成的回路供能，实现在一个周期内完成对LED的持续驱动。
2．2．1 电路参数计算和器件选择
    参考芯片的使用手册和具体电路要求可以确定芯片的外围器件参数，首先必须确定电路的工作频率。由RT引脚接阻值为226 kΩ～1 MΩ的电阻，设定GATE引脚输出的开关信号频率。该频率的选择与电感L值和开关管性能有关，一般在市电供电条件下，频率选择在25～150kHz。当选择过高频率时，需要的电感值较小，但对开关管的要求很高，此时开关管功耗比低频工作时大很多。试验中，先设置到100 kHz开关频率，在没有散热的情况下MOSFET发热量大，极易烧毁。当频率设置到26 kHz时，计算所得电感很大，在工作状态中电感上消耗过多能量，也不适合电路的高效率工作，所以开关工作频率选50 kHz。
    LED的驱动电流设定为0．35 A，根据芯片手册中提供的计算公式可得到RT值为478 kΩ，在设计允许范围内可以使用470 kΩ电阻用作RT，采样电阻RCS=0．62 Ω。
    电感L1取值与LED电流的纹波值有关，一般限制纹波系数最大为0．3，电感值的计算公式为
   
    电路驱动了10个LED，其VLEDS为33 V，Vin是经过全波整流和滤波后的峰值电压，其值为310 V，ILED和fs取值同前，代入式(2)计算得到L1=5．6 mH，电路中选用6．8 mH的电感。
    MOS管选取了性能优良的删，其最大耐压500V，最大漏极电流5A，导通电阻0.6Ω。二极管选取快恢复二极管BYV26B，其反向耐压VD=500 V，正向平均电流1 A，正向导通压降1．2 V。电容C2作为输出滤波电路实现电压滤波，C2在4.7～33μF的电容中选取，前级的滤波电容C0选择4．7～33μF的极性电容，电容C1使用22μF无极性电容。全波整流桥要求有高耐压和大的过电流，电路中选取DB206S，可耐脉冲高压800V，浪涌电流2 A，满足电路设计要求。
2．2．2 电路效率理论计算参考
    整个电路中的主要损耗由功率MOS管、采样电阻、负载LED相连的电感L1、快速二极管以及芯片HV9910B产生。根据文献所提供的相关公式和特定型号的原件参数，可以计算得到该电路的总体功耗PLOSS=PMOS+PDIODE+PINDUCTOR+PIC+PRS=0.032+0.389+0.613+0.31+0.008=1.352 W。
    电路输出电功率为Po=33 x0．35=11．6 W，电路的整体转换效率η=11．6／(1．35+11．6)×100％=89.57％。从效率理论计算结果来看，该设计电路性能优良。

3 电路测试
    对所设计的PWM开关驱动电路进行电路搭建，并采用数字电压表，交流功率计，示波器等实验仪器对其实物电路的工作状态进行了测试。在电路正常工作情况下，对电路中的2个关键点的电压波形进行测试。
    图3为施加到开关器件栅极的PWM开关控制信号波形，其周期为14μs，幅值8 V，占空比8．3％，周期和预设值有一定差距，这主要是电阻RT阻值误差造成的频率设置偏差。图4是LED负载中电流的波形。测量过程是在LED负载回路中串入0．5 Ω电阻测量其两端的电压波形，利用电阻的线性特性来反映电流特性。从波形上看，电流按照锯齿波形周期性变化，峰峰值为40 mV，计算得到其电流纹波为80 mA，输出电流均值为350 mA，经过汁算得到其纹波系数为22.9％。

    电路的输入功率PI实测为9．9 W，负载消耗功率Pout为8．7 W，则该电路的转换效率为87．8％，和对电路效率理论计算所得值相近。
    经过对电路的关键点波形测量，和对电路功率的实测，得到该电路工作在71 kHz的频率开关状态，工作状态稳定、输出功率大、效率较高。但是电路的输出纹波系数偏高，致使安全工作中LED的发光照度不会达到其最优值，还需要对电路输出滤波部分进一步改进提高。

4 结束语
    通过分析了解LED发光性能和电气特性，得到使用恒流电源驱动、串联方式连接LED阵列的驱动要求。在PWM方式开关电路原理的基础上，设计出了基于HV9910B芯片的典型PWM方式开关电路，通过实验测量确定其最佳工作频率，较好地完成了对白光大功率LED的照明驱动。通过理论计算和实际测量，发现开关LED驱动电源有着较为优越的电路转换效率，工作电压范围宽，恒流输出和转换效率超过85％的特点。但是要更安全地驱动白光LED进行日光照明，就需要对开关电路的输出进行更为优秀的滤波处理，使电路的输出纹波更小，电流更平稳。