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大功率LED驱动和控制电路的设计和应用

Chenwu Li^1,a，Jian Zhang^1,b， Haoyuan OU^1,c

¹广东职业技术学院，佛山，广东，528041，中国

^alichenwu0808@126.com，^bzj3319896@163.com，^c40659014@qq.com

摘要：LED（发光二极管）是一种运用相当广泛的固体光源。这种光源是一种能够将电能转化为自LED发出的非常集中且易于管理的电子元件。LED可以简单使用低电压直流电源供电。本文主要介绍实现采用恒定电流模式的控制电路并提出一种基于恒流控制芯片PT4115的大功率LED恒流控制方法。这种芯片具有简单、高效且价格便宜的特点，适用于太阳能产品的市场需求。

关键词：大功率LED，控制电路，恒流控制芯片PT4115

简介：随着电子科技的发展和数字芯片应用领域的扩张，LED（发光二极管）由于其发光光能非常集中并且易于控制而被广泛地用为一种固体光源。这种电子元件能够将电能转化为光能并且由低电压直流电源驱动。对于大功率LED驱动，驱动电流越稳定，LED的工作状态就越好，因此必须有稳定的电源和精确的驱动设计。不同功率的LED元件必须配备具体不同的控制电路来保障正常发光。因此，我们对于大功率LED智能驱动电源技术的迫切需求也与日俱增。

大功率LED驱动与控制电路

LED是一种有着负温度特性的敏感半导体器件。因此，在应用过程中，自电路驱动这个概念被提出后它的工作状态需要保持稳定来实现对控制芯片的保护。LED器件对驱动电源有着严苛的要求。与能够直接接入220V交流电源的普通白炽灯相比，LED是由2-3V的低电压直流电源驱动的。必须为不同用途的LED器件设计采用不同适配器的复杂的转换电路。LED电源的质量直接限制了LED产品的可靠性且是长期高效使用LED的关键保障因素。

为了保证LED的可靠性，LED的驱动电流必须比LED的额定电流低。当环境温度上升时，允许的额定电流会降低。如果采用恒定电压驱动，当LED器件以相同方向导通时，其外部正向电压的任何微小变化都会导致其正向电流的激烈变化，并且其电流有可能超过其额定电流。因此需要使用恒流源来为大功率LED 供能。

电阻限流法。如图一所示，这是一张稳定电源与限流电阻的连接图。这种电流使用与镇流电阻相关的稳定电压来控制LED的电流，因此这是最简单的驱动方法。根据LED的参数与发光情况，可以通过降低LED两端的电压并计算所需的限流电阻来得到LED的直流电流。

电阻限流法

图1 电阻限流电路

定义1：设V_F是LED的正向电压，I_F是当正向电压为V_n时的正向电流，n是串联连接中LED的个数。那么当电阻一定时，V_F与I_F存在如下关系：

（1）

（2）

由上面的关系式可以得知，电阻限流电路很简单，当输入电压变化时，电阻R的接入损耗功率为，因此通过LED的电流也会随之改变，同时当温度上升时正向电压会下降。因此，在计算限流电阻时，需要保留一个残留量。只有用这种方法，当工作中的LED达到它的热平衡状态时，正向电流才不会超过额定电流从而导致其调节性能下降和效率低下。

线性控制方法。通过使用在线性工作区域中工作的功率型晶体管作为动态可调电阻，线性控制通过控制负载来保持通过LED的电流为一个稳定值。与电阻限流方法相比，线性控制方法在精确性上有了很大的提升，但是功率型晶体管消耗了相对较大的功率可系统效率平凡。

（a）串联方式 （b）并联方式

线性控制方法

图2 线性恒流源电流原理图

有并联连接与串联连接两种线性控制方法。图2（a）展现的是与LED并联的并联型线性稳压器，其中当输入电压上升或LED减少，通过分流器的电流也会增加，从而导致限流电阻上的压降增加以保持流过LED的电流不变。图2（b）是串联型线性稳压器，其中当输入电压上升时，动态调节电阻会上升来保持LED上的电压（电流）不变。

定义2：在存在电流负反馈电路的前提下，其中正向运行的同向端和反向端的电压分别为V 和V_-，R₁是输出回路中的反馈电阻，其中输出电流I_o通过反馈电阻R以获得一个反馈电压，它增加了运算放大器的反向输入端。那么运算放大器的理想特性应为：

; ; ; （3）

从式（3）中可以得到输出电流I_o取决于V_REF与R₁，而与输出电压Vi无关，同时输入电压在一定范围内保持恒定。由于功率晶体管或MOSFET管具有饱和击穿电压，分流器需要和电阻串联。因此，最小输入电压必须比饱和电压与负载电压的总和还要大，这将引起小样品电阻微弱的功率消耗，从而尽可能降低驱动芯片的功耗和样品电阻，并提高电路的转换效率。

开关控制方法。开关控制法通过开关元件对输入直流电进行高频斩波，它将所获得的高频脉冲转换成合适的电平并通过整流滤波器恢复到所需的直流输出值。这种电路通过调节功率管所消耗的击穿比来调节输出电压，从理论上来讲功率管的损耗可以被将至零。

（a）降压变换器 （b）升压变换器 （c）降压升压变换器

开关控制方法

图3 开关控制法电路原理图

高频斩波信号，与输入直流信号有关，相当于一种调制信号，因此DC-DC功率转换信号有时也被称作高频调制型DC-DC功率转换信号。为了保持功率转换电路稳定不变的输出电压，通常要使用脉宽调制（PWM），脉冲频率调制（PFM）或PFM/PWM混合调制。通常有两大类六小类基本电路，降压式（BUCK）电源转换电路、升压式（BOOST）电源转换电路和降压-升压式（Buck-Boost）转换电路、CUK电源转换电路这四种属于感应能量转换式变压转换器，赛达式（Zeta）功率转换电路和并联式转换电路属于电容能量传输类型。

自动控制电路设计

本实验中使用的可调节稳压电源的调节范围约为1.2V~15V，采用PT4115构成的线性恒流电流驱动电路和适配器构成的开关，BUCK驱动电路驱动三个串联的1WLED灯。图4是驱动电路的示意图。

图4 LED驱动电路示意图

为了获得稳定的驱动电流，稳定的电源是获得稳定光照的先决条件。在稳定电源的条件下，通过增加LED的光稳定性和改变恒定电流的外部电压，输出电流的大小可以通过电压的大小来控制。控制电路设计的核心是微控制器，结合键盘和LED的数字显示。通过闭环反馈和输入电压比较A/D采样电压，通过相应的调整，将有D/A转换器输出的模拟电压作为恒定输出电流源的基本输入电压。

D1~D4组成了一个构成单向整流器，其中二极管型号为IN4007，驱动芯片为PT4115；C1是100mu;F/25V的滤波电容；R1控制PT4115输出电流大小的取样电阻，它决定了恒流源的绝对精度。R1的电阻与负载电流相关，可以由式（1）计算得到：

当负载是3个1W的串联LED且其额定电流为350mA时，取样电阻的大小应该为：

因此，R1可以选择一个电阻约为0.2857欧姆的金属薄膜电阻器。

L是一个整流电感，其电感在工作电压范围内会影响恒流源的稳定性，因此PT4115的工作频率被设计在1MHz以下，将100KHz的脉冲电流转化为三角波电流；D5是一个续流二极管，当晶体内部的MOS管处于停止状态时，它为存储在电感中的电流提供放电电路。当处于高频脉冲状态时，D5将选择小正向压降和具有快速恢复能力的肖特基二极管。芯片PT4115的DIM终端能够外接PWM脉冲或直流电压来调节光线，或者连接到热敏电阻上来辅助温度控制以自动控制亮度。因为LED台灯亮度调节在设计中并没有被提到，因此DIM端口应该保持悬空。

软件设计

在系统设计中，核心在系统设定值与内部测量值之间控制错误，软件程序设计主要包括初始化管理模块，按键管理模块，数据处理模块和显示模块，这些功能都以微处理器C51语言编码。未使用数字闭环前，这些值与内部测量值之间的关系应根据改变的D/A输入值的大小获取与设置的电流值对用的D/A输出的电压来设置，这有利于通过微处理器的乘法与除法来实现设定值和内部测量值的对齐。受包括周围环境等的影响，设定值与内部测量值之间的关系将会发生特定的变化，这将导致设定值与内部测量值间超过100mA的误差。因此，这种方法并不稳定。在使用了数字闭环后，通过设定值和A/D样本显示值之间的对比，获得他们之间的差别，再经过D/A输入值的调整，A/D样本显示值能够达到设定值并最终对准设定值。此外，D/A输入值的大小在控制过程中并不是必须的，原始程序中的二进制乘法和除法也可以忽略以简化程序并使其不受周围环境的影响。

在系统充电之后，主程序首先完成系统初始化，包括设置A/D，D/A和显示器等的工作状态，将初始值丰富到系统变量并显示先前的设定值等。然后扫描获取键盘输入值并判断是否按下设置键和对齐键，并执行相应功能的子程序。在按下开始键后，D/A转换器和A/D转换器将根据设定值运行，然后通过控制算法对样本值和设定值进行参数计算，最终进行闭环反馈调整以获得精确的电流值。根据硬件电流，整个微处理器软件部分主程序流程图如图5所示。

图5 整个微处理器软件部分主要程序流程图

结论

本文中，电感的设计值超过68mu;H，因此系统的运行频率能够被控制在1MHz以内。为了防止电感值太小，工作频率可以更高，同时PT4115内部的电流检测电路相应速度限制将会影响正常的内部电流探测且无法实现更好的内部开关控制。此外，过小的电感将会引起PT4115的SW终端没有输出而烧毁。因此，本设计中的电感L应选择电感为68mu;H-100mu;H的闭磁式电感，Q的值大于50，饱和电流大于800mA。由式（3）可知，选择线性恒流驱动的原则是它的参考电压应该越小越好。因为线性驱动器通常需要串联电阻器来保持LED电流保持不变，串联的电阻越大，消耗的能量也就越大系统的效率也就越低。此外，芯片本身的压降也需要尽可能小来减少驱动芯片和取样电阻的能量消耗同时尽可能提高电路的转换效率。

参考文献

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