大功率白光LED恒流驱动电路系统设计

曹卫锋， 王玉琴， 胡智宏

(1.郑州轻工业学院 电气信息工程学院 河南 郑州 450002；2.郑州大学 教育技术中心 河南 郑州 450001)

0 引言

随着大功率白光LED光效不断提高和成本显著降低，LED灯具作为一种新型绿色照明产品，逐渐被公认为21世纪的新型照明光源.为此，很多科研人员和电子厂商都提出了各具特色的大功率LED驱动解决方案.传统的大功率LED驱动电路一般不具备测量LED结温的功能[1-3]，对LED的保护仅限于过流或过压保护，很难真正起到保护LED的目的.并且传统LED驱动电路的DC/DC变换部分大多采用电解电容进行滤波和储能，而电解电容的寿命受环境温度的影响比较大，这势必影响到LED恒流源电路的使用寿命.

针对这些问题，本文根据大功率LED的固有特性，采用“低电流测压法”间接测量LED的结温，通过调整LED驱动电流来控制其结温，防止LED结温过高而损坏，通过提高DC/DC变换电路的开关频率，采取多个陶瓷电容并联代替电解电容的方案，从而延长LED驱动电路的使用寿命.

1 大功率LED工作特性

1.1 电压与电流之间的关系

图1 1 W白光LED的V-A曲线Fig.1 V-A curve of 1 W white LED

大功率LED的核心部分是PN结，因此它的伏安特性与普通二极管基本相同.图1为某公司1 W白光LED的伏安特性曲线[4]，由图1可以看出，当LED的正向电压有较小变化时，LED的电流将有较大变化.由于流经LED的电流发生变化，LED的发光强度就会有明显变化.因此，为保证LED的发光强度保持稳定，必须为LED提供恒定的电流，这就是采用恒流驱动LED的原因.

1.2 结温与寿命之间的关系

LED的寿命在理想情况下可以达到10万小时，实际上，由于大功率LED的热量集中在尺寸很小的芯片内，芯片PN结温度升高，将引起器件热应力的非均匀分布，芯片的发光效率也将下降，当LED的结温超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加.图2是飞利浦1 W、2 W、3 W和5 W大功率白光LED结温与寿命之间的关系曲线[5].图中额定电流为350 mA的LED功率为1 W，700 mA的为2 W，1 A的为3 W， 1.5 A的为5 W.由图2可以看出，大功率LED的寿命均与其结温有关，LED的结温超过一定值时其寿命就会呈指数曲线下降.只有确保LED的结温始终低于某一额定值，才能有效延长LED的寿命，因此准确可靠地实时测量LED的结温就成了延长LED寿命的先决条件.

1.3 电压和结温之间的关系

LED的结温是影响LED寿命的关键因素，同时LED的过热保护和热降额补偿等也需要测量LED的结温，然而LED的结温测量目前有很多难点.近期研究发现，大功率LED工作在某一特定低电流范围内时，其结温与端电压近似呈线性关系[6].图3为某公司1 W白光LED在不同驱动电流下的电压-结温特性曲线.

图2 LED的结温与寿命之间的关系曲线Fig.2 Junction temperature and lifetime curve of LED

图3 1 W LED的电压-结温特性曲线Fig.3 Voltage-temperature characteristic curve of 1 W LED

由图3可以看出，当LED工作在低电流状态时，其电压-结温特性的线性度较好，为此，可以通过测量LED工作在低电流时的端电压，推断出LED的当前结温，这种方法可称为“低电流测压法”.

2 大功率白光LED恒流源电路设计

2.1 恒流源电路系统设计框图

图4 LED恒流驱动电路系统框图Fig.4 Circuit block diagram of constant current driving LED

根据大功率LED的工作特性，本文设计的LED恒流驱动电路系统框图如图4所示.系统包括PIC单片机最小系统、LT3755恒流驱动电路、大功率LED电流检测电路、电压检测电路和LED短路保护电路等(图中大功率LED串并联电路属于外置电路).PIC16F873内部具有5路A/D转换和2路PWM输出，主要完成LED工作电压和平均电流的检测、LED电流大小设定和PWM占空比的调整等功能.LT3755恒流驱动电路是恒流源电路系统的核心电路，主要完成高效率大电流DC/DC转换、LED恒流驱动、LED开路保护和数字调光等功能.

2.2 LED恒流驱动电路设计

大功率白光LED恒流驱动电路的设计如图5所示，其核心是美国凌力尔特公司的LED专用恒流芯片LT3755[7]，该芯片输入电压范围为4.5～40 V，可配置为升压、降压、升降压、SEPIC 或反激式的拓扑结构，输出电压范围为2.9～60 V，转换频率可在100 k～1 MHz范围设置，升压模式下的效率超过94%，数字调光比最大为3 000∶1，使用CTRL引脚可进行10∶1的模拟调光，具有LED开路保护、可编程欠压闭锁和软起动等功能.

如果电解电容工作环境温度为105 ℃时，其寿命为5 000 h(标称值)，工作在环境温度低于85 ℃时，其寿命为20 000 h，因此，电解电容是电源可靠性的瓶颈.采用高性能电容、控制工作温度和通过电路设计减小电容值等方法可以延长电源电路的寿命.然而，由于电源电路功耗较大，滤波要求较高，所以这些方案很难彻底解决问题.本文通过提高DC/DC变换电路的开关频率，采取多个陶瓷电容并联代替大容量电解电容的方案，较好地解决了这一问题.

图5 LED恒流驱动电路Fig.5 Circuit of constant-current driving LED

根据项目需要，本设计将LT3755连接成BOOST升压电路，其DC/DC升压电路由L1，D1，Q1，C2，C3，C4，C5，R1，R2，R7和RS1等部分构成.其中，L1，D1，Q1，C2至C5构成BOOST电路的主拓扑结构.BOOST电路的开关频率由电阻R7的阻值来决定，取值范围为10 k～100 kΩ，相对应的开关频率为1 M～100 kHz.RS1为控制回路的电流检测输入电阻，用于过流保护，一般取值为0.015 Ω. BOOST电路输出电压的大小由R1和R2的比值确定.LT3755的PWM管脚用于调整LED亮度，当采用PWM调光时，大功率LED不是工作在最大电流状态，就是工作在关断状态，因此，调光时LED的发光颜色不会发生变化.

RS2为LED高压侧电流检测电阻.一方面用于LED的短路保护，当LED短路时，LT3755关断其PWM输出，恒流源电路停止工作；另一方面可根据CTRL引脚电压的大小来完成LED电流设定，当VCTRL大于或等于1.2 V时，ILED=0.1/RS2，当VCTRL小于1 V时，ILED=(VCTRL-0.1)/(RS2×10),其中ILED为流过LED串的电流，VCTRL为LT3755 CTRL引脚电压，RS2为与LED串高压侧串联的电阻.当1 V

根据LT3755的CTRL引脚的特性，即可用“低电流测压法”间接测量LED的结温.具体方法是先设定VCTRL大于1.2 V的时间为10 s，让LED正常工作，然后再设定VCTRL小于1 V的时间为0.01 s，让LED工作在低电流状态，通过测量LED在低电流时的端电压即可根据图3推断出LED的结温.如果LED的结温超过设定值，可以通过调整PWM的占空比来减小LED的平均电流，降低LED的输出功率，控制LED的结温.

2.3 LED工作电压检测电路设计

图6 LED端电压检测电路Fig.6 Terminal voltage detection circuit of LED

当采用“低电流测压法”间接测量LED的PN结温度时，需要实时采集LED的端电压，以确定LED的温度是否超过设定值.这部分的电路如图6所示.

图6是一个差动放大电路.由于LED串的端电压最高可达60 V，而单片机A/D转换电路能接受的最高输入电压只有5 V，因此该电路应设计为电压衰减电路.调整电路中4个电阻值，使差动放大电路的输出电压小于5 V即可满足电路设计要求.

3 实验结果与总结

基于上述分析，设计制作了大功率LED恒流源电路.蓄电池提供电路的输入电压为12 V，负载采用6并10串联接的60颗1 W的大功率白光LED，单片机PWM输出频率设定为250 Hz，然后将该电路连接在太阳能LED路灯系统中工作一年，前半夜LED路灯全功率工作，后半夜调整单片机的PWM占空比为1∶2，LED路灯工作于半功率模式.实验证明该电路能稳定可靠工作.恒流源电路部分实验数据如表1所示.

表1 恒流源电路部分实验数据Tab.1 Part of the experiment data of constant current circuit

注：半功率模式下，LED的端电压不变，电流是占空比为1∶2的脉冲电流，加“*”的数值是其均值.

从实验结果可以看出，由于恒流源大部分时间工作在正常工作模式和半功率工作模式，所以其效率接近92.6%.正常工作模式时，每颗LED的平均电流为317 mA，平均电压为3.11 V，功率基本达到1 W，恒流源的精度虽然只有1.05%，但这对于驱动大功率LED来说已经足够.由于LED在正常工作模式时的结温在80 ℃左右，因此，在测量模式时，当每粒LED的平均电流为5 mA时，平均电压为2.55 V，这与图3所示的1 W LED的电压-结温图基本相符，这说明采用“低电流测压法”测量LED的结温是行之有效的.

实验表明，采用“低电流测压法”间接测量LED的PN结温度，更好地保护了LED，采用LED专用恒流芯片LT3755为主电路简化恒流源电路设计，采用无电解电容的DC/DC电路延长恒流源电路的寿命.

参考文献：

[1] 贡瑞睿,葛红娟. 色温可调的高功率LED恒流驱动电路设计[J]. 电力电子技术,2011,45(6):97-99.

[2] 黄艳国,倪艳明,许伦辉.公路隧道照明无级调光模糊控制方法[J].广西师范大学学报:自然科学版,2011, 29(1):10-14.

[3] 辛晓宁,陈丽丽. LED恒流驱动电路研究与设计[J].微电子学与计算机,2011,28(3):126-129.

[4] 茅于海.恒流驱动源及其在太阳能LED路灯中的应用[EB/OL].[2011-03-12]. http://www.chinabaike.com.

[5] Philips Inc. Understanding Power LED Lifetime Analysis [EB/OL].[2009-02-22] . http://www.philipslumileds.com.

[6] 刘廷章.大功率LED照明的恒流驱动技术[EB/OL].[2011-07-09]. http://wenku.baidu.com.

[7] Linear Technology Inc. LT3755 Datasheet [EB/OL]. [2010-09-10].http://www.linear.com.