中心議題：

• 大功率LED恒流驅(qū)動設(shè)計方案
• LED工作特性
• LED 常用驅(qū)動技術(shù)比較研究

解決方案：

• 基于PT4115 的恒流驅(qū)動設(shè)計

本文對LED 常用驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行了比較研究，得出大功率LED 采用恒流驅(qū)動的合理性。并對采用PT4115 的大功率LED 恒流驅(qū)動的設(shè)計原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。該恒流驅(qū)動具有驅(qū)動原理簡單、成本低、恒流效果好等優(yōu)點。并且，該恒流源相對于其也恒流源具有輸入電壓范圍寬泛、效率高的優(yōu)點。對大功率LED 在太陽能行業(yè)上的應(yīng)用具有很好的工程實用價值。

0  引言

光伏發(fā)電行業(yè)作為一種新興行業(yè)，其發(fā)展具有突飛猛進(jìn)的趨勢。光伏照明是光伏產(chǎn)業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)。由于光伏電池所發(fā)出來的電如果不經(jīng)過一次變換的話是直流電，因此，LED 光源作為一種直流電光源，尤其適合光伏照明產(chǎn)業(yè)。但是，LED 的高效節(jié)能的優(yōu)點要想保證的話，其驅(qū)動具有尤為重要的作用。本文對大功率LED 和小功率LED 適合的驅(qū)動進(jìn)行了比較研究。并且提出一種基于PT4115 的高效率的大功率LED 恒流驅(qū)動解決方案。該種驅(qū)動電路簡單、高效、成本低，適合當(dāng)今太陽能產(chǎn)品的市場化發(fā)展。

1  LED 工作特性

LED 具有對電壓敏感的特性，當(dāng)LED 兩端電壓超過其導(dǎo)通電壓后?？山频恼J(rèn)為其正向電壓VF和正向電流IF 成比例關(guān)系。因此，電壓的變化會引起電流的變化。

圖1 　LED 的VF 和IF 特性曲線線

從圖1 可以看出電壓的微小變化會引起電流的極大變化。由此，可以得出對于LED 應(yīng)該采用恒流驅(qū)動，防止流過LED 電流的極大波動，影響LED 的使用壽命。因此，不管是交流恒流驅(qū)動還是直流恒流驅(qū)動，其輸出端LED 兩端電壓的峰峰值最好控制電流在幾十毫安。

2  LED 常用驅(qū)動技術(shù)比較研究

2. 1  電阻鎮(zhèn)流驅(qū)動

圖2  采用鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動的原理圖

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從圖2 中可見，采用電阻鎮(zhèn)流的驅(qū)動方式就是在LED 燈串上串聯(lián)上鎮(zhèn)流電阻。通過鎮(zhèn)流電阻降低在LED 燈串上的電壓，防止LED 過壓被擊穿。鎮(zhèn)流電阻的驅(qū)動方式實際上就是通常所說的恒壓驅(qū)動方式。該種驅(qū)動方式雖然簡單，但是在鎮(zhèn)流電阻上會有損耗，并且，損耗會隨輸入電壓的增大而增大。因此，該種技術(shù)作為最早的驅(qū)動技術(shù)，已經(jīng)隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸被取代。

2. 2  PWM恒壓驅(qū)動方式
眾所周之，PWM驅(qū)動方式本身具有驅(qū)動效率高的優(yōu)點。因此，采用PWM 恒壓驅(qū)動方式具有效率高，驅(qū)動電路簡單的優(yōu)勢。但是，鎮(zhèn)流電阻這種恒驅(qū)動方式，已經(jīng)不適合當(dāng)今光伏照明的簡潔、高效的趨勢。因此，PWM恒壓IC 隨之出現(xiàn)。

圖3  恒壓驅(qū)動原理

對于采用恒壓驅(qū)動（見圖3） ,因輸出到LED 負(fù)載兩端的壓降不變，如果其中一路的某顆LED 發(fā)生短路故障，則這個輸出的恒壓壓降將全部降在其它LED 兩端，則剩余的每顆LED 承受的電壓可能超過電壓額定值，而將其燒毀。

LED 因其VF 值特性原因做不到相同，隨著溫度及電流大小也有些VF 值也會發(fā)生變化，一般不適合并聯(lián)設(shè)計。但是有些情況又不得不并聯(lián)解決多顆LED 驅(qū)動成本問題，就像小功率LED 如果每一路采用一個恒流源會大大增加驅(qū)動成本，因此，就必須采用多組LED 燈串并聯(lián)，而采用恒壓驅(qū)動的方式進(jìn)行驅(qū)動。

因此， 即使采用恒壓驅(qū)動的方式， 也要選擇PWM恒壓驅(qū)動IC ,提高驅(qū)動效率。

迫于小功率LED 要想實現(xiàn)和大功率相同的照度，所需數(shù)量大，如果每路驅(qū)動使用一個恒流驅(qū)動，將大大增加驅(qū)動成本，鑒于此問題，小功率LED 適合采用恒壓驅(qū)動方式。

2. 3  恒流驅(qū)動技術(shù)
對于恒流驅(qū)動實際上很大程度上是結(jié)合PWM恒壓驅(qū)動高效率的特點，對其進(jìn)行改造以最簡單的方法實現(xiàn)恒流。

對于PWM恒壓IC 內(nèi)置一個基準(zhǔn)電壓，通過采樣反饋端FB 端電壓和內(nèi)置電壓比較，以控制PWM輸出占空比，以實現(xiàn)恒壓驅(qū)動。

要進(jìn)行恒流控制就要在斬波輸出端串聯(lián)一個小電阻，采樣其對地電壓，然后對其進(jìn)行放大并反饋到恒壓控制端，以進(jìn)行恒流控制。由于采樣電阻串聯(lián)在輸出回路里，要降低落在電阻上的功耗，就要盡量減小電阻的阻值，通常選0. 1 Ω電阻。

采用恒流驅(qū)動，必須每一路LED 燈串有一個恒流源驅(qū)動。當(dāng)燈串中單顆LED 發(fā)生短路故障時，由于輸出電流不變，因此，并不影響其它LED 的光效，采用恒流驅(qū)動能大大提高LED 的使用壽命。

3  基于PT4115 的恒流驅(qū)動技術(shù)

3. 1  PT4115 芯片簡介
1） 極少的外部原件
2） 很寬的電壓輸入范圍：從8 V 到30 V
3） 最大輸出1. 2 A 電流
4） 復(fù)用DIM 引腳進(jìn)行LED 開關(guān)、模擬調(diào)光、PWM調(diào)光
5） 5 %的輸出電流精度
6） LED 開路保護(hù)
7） 高達(dá)97 %的效率
8） 輸出可調(diào)的恒流控制方法
9） 內(nèi)部含有抖頻特性，極大的改善EMI

3. 2  典型應(yīng)用電路

圖4  PT4114 典型應(yīng)用電路

對于PT4115 （見圖4） 即可以應(yīng)用于12~18 V 的交流，也可應(yīng)用在8 V~30 V 的直流。因此，應(yīng)用范圍更加廣泛。并且，驅(qū)動電路簡單，所需元器件均價格低廉。適合批量、市場化。
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3. 3  PT4115 恒流原理
保持采樣端（CSN） 輸入電壓值為IC 內(nèi)部設(shè)定值相對于VIN 電壓值不變即可實現(xiàn)恒流。因為：

式中：ILED ---流過L ED 的電流；VCSN ---電壓檢測端電壓；RS ---電流采樣電阻。

從式（1） 可見，只要保證采樣端電壓相對于輸入端電壓不變，就能使流過LED 的電流恒定。

3. 4  PT4115 調(diào)光措施
PT4115 采用PWM 調(diào)光措施，當(dāng)DIM 引腳電壓低于0. 3 V 時關(guān)斷LED 電流，高于2. 5 V 時開啟LED 電流。

PWM調(diào)光措施相對于傳統(tǒng)的線性調(diào)光，不影響LED 的光效。PWM 調(diào)光的基本原理是保持LED 正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比例，即控制每個周期電流導(dǎo)通的時間。PWM 調(diào)光的優(yōu)勢是LED 正向?qū)ǖ碾娏饕恢笔呛愣ǖ?，LED的色度就不會像模擬調(diào)光一樣會變化。PWM調(diào)光可以在精確控制LED 的亮度的同時，也保證LED 發(fā)光的色度。

線性調(diào)光是通過改變流過LED 的電流來調(diào)整光效的，流過LED 的電流的變化必然會影響LED 的色度。

因此，PWM調(diào)光相對傳統(tǒng)的線性調(diào)光具有很大的進(jìn)步。

3. 5  PT4115 頻抖改善EMI 的原理
頻率抖動技術(shù)（Frequency Jitter） 是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI 問題的新方法。頻率抖動技術(shù)是指開關(guān)電源的工作頻率并非固定不變，而是周期性地由窄帶變?yōu)閷拵У姆绞絹斫档虴MI ,來減小電磁干擾的方法。

頻率抖動技術(shù)通過擴(kuò)展電源噪聲頻譜的方式降低了窄帶EMI.對于可以抖動多少的振蕩器頻（fs） ,存在一些局限性。其中一些局限因素是開關(guān)損耗和磁路設(shè)計。為了將升壓電感盡可能的保持較小，并將開關(guān)損耗保持在可控范圍內(nèi)，頻率抖動應(yīng)不超過基本頻率的20 %至30 %.

3. 6  PT4115 的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)和過溫保護(hù)
對于PT4115 具有動態(tài)溫度調(diào)節(jié)的功能，并且，可以在此功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)過溫保護(hù)。

3. 6. 1  動態(tài)溫度調(diào)節(jié)。

圖5  動態(tài)溫度調(diào)節(jié)原理圖

從圖5 中可見，DIM 端內(nèi)部是一個1MΩ 的上拉電阻，連接到內(nèi)部5V 電源上。DIM 端電壓由內(nèi)部上拉電阻和熱敏電阻NTC 分壓決定。從熱敏電阻的特性可以知道，溫度的變化會影響NTC 的阻值，進(jìn)而影響DIM端電壓，以實現(xiàn)PT4115 的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)。
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3. 6. 2  過溫保護(hù)的實現(xiàn)。
從圖6 中可見，相對于圖5 多了一個三極管，當(dāng)溫度升高時，NTC 電阻的阻值減小，其上的分壓也減小，則相應(yīng)的其下面電阻上的分壓升高，當(dāng)超過三極管的開通電壓時， 三極管導(dǎo)通，DIM 端接地， 關(guān)斷LED電流， 當(dāng)溫度降低時， IC 重啟， 因此， 實現(xiàn)了PT4115 的過溫保護(hù)。

圖6 　過溫保護(hù)的實現(xiàn)原理圖

3. 7  PT4115 工程應(yīng)用中的經(jīng)驗
1） 電感越大，工作頻率越低，恒流效果越好；
2） 輸出電流越大，需要電感值越小，電感選擇方便；
3） 通常電感越大，功率開關(guān)的開關(guān)損耗越小，但相應(yīng)的電感的損耗會增大；
4） PT4115 內(nèi)部自帶過溫保護(hù)功能，外部過溫保護(hù)可設(shè)，對LED 實現(xiàn)雙重保護(hù)；
5） PCB 布線要盡可能的將銅箔與PT4115 的Ex2posed PAD 和GND 的接觸面積增大，以利散熱；
6） 交流12V 整流管和續(xù)流二極管一定要選用低壓降的肖特基二極管，以降低自身功耗；
7） 電感選取時，其飽和電流要求為輸出電流的1. 5 倍。

4  實驗結(jié)果

4. 1  效率測定
采用實驗室精密儀表，對PT4115 的輸出效率進(jìn)行了測量，現(xiàn)以輸出為3 顆LED 串聯(lián)負(fù)載為例，其結(jié)果見表1.

表1  不同輸入電壓下，輸出效率測定

從表1 可見， PT4115 的整體供電效率維持在91 %以上，相對于當(dāng)前市場上的恒流源，是一款效率高的產(chǎn)品。并且，單路可以實現(xiàn)驅(qū)動最多7 顆1W的LED 串聯(lián)。由于，外圍電路簡單， IC 封裝體積小，可以將恒流驅(qū)動和LED 負(fù)載整合在一塊鋁基板上，實現(xiàn)驅(qū)動、散熱一體化的模組方案。

4. 2  實驗波形
通過示波器采樣肖特基二極管兩端的波形，同樣以3 顆LED 負(fù)載為例進(jìn)行采樣。

圖7  輸入電壓12 V 負(fù)載為3 顆LED 串聯(lián)時的波形

從波形圖7 與可見斬波波形沒有毛刺，因此，諧波含量比較低，恒流驅(qū)動損耗小。

5  小結(jié)

本文通過對各種常用驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行比較，得出大功率LED 應(yīng)采用恒流驅(qū)動的結(jié)論。并且，詳細(xì)介紹了基于PT4115 的大功率LED 恒流驅(qū)動的原理、優(yōu)點、及其電路實現(xiàn)。同時， 也詳細(xì)敘述了在采用PT4115 實現(xiàn)恒流驅(qū)動過程中的經(jīng)驗總結(jié)。最后對其實驗結(jié)果進(jìn)行了描述，證明了該驅(qū)動的合理性、高效性、簡潔性等突出優(yōu)點。該恒流驅(qū)動具有很強(qiáng)的工程實用性。