基于温度传感器控制的LED脉冲驱动电源的设计

胡 光，张 俊

（淮阴工学院，淮安 223003）

0 引言

当前全球能源短缺和地球环境变暖的忧虑再度升高，节能减排是全世界面临的重要问题，在照明领域，被称为希望之光的第四代绿色照明光源LED正吸引着世人的目光，是当前照明产业发展的趋势。

尽管目前LED照明发展比较迅猛，但在一些技术指标上还需要大的提高，其主要表现为存在着光衰。LED光源虽然寿命比较长，但目前使用一定的时间以后，其照度会下降，产生光通量衰减（光衰）。产生LED光衰的原因主要有两个：1）是LED产品本身品质问题，生产过程中采用品质不好的晶粒，晶粒散热不能很好地从PIN脚导出，导致LED晶粒温度升高，产生光衰；2）是LED的驱动电源问题，目前LED的驱动电源多数采用恒流电源，部分采用恒压电源，这类驱动电源往往导致流过LED的电流大于它的额定电流，从而使得LED本身发热，产生光衰。

由LED的晶粒造成的光衰，可以通过改变生产LED的工艺得到改进；LED照明的驱动电源的设计，是当前推广LED照明过程中的现实和迫切的问题。

1 LED的温度特性

LED产生光衰的根本原因是LED在使用过程中温度超过其额定温度，因此分析LED的温度特性，对于设计驱动电源具有密切的联系，本文以Cree公司的XLamp7090XR-E3.3V，350mA(1.2W)白光LED为例，介绍LED的温度和伏安特性关系以及结温和光衰关系。

1.1 LED的温度和伏安特性曲线

LED的温度特性首先体现在它的伏安特性曲线上，虽然在特定的温度情况下它的伏安特性曲线类似于一般二极管，但其伏安特性曲线随着温度的变化是比较大的，图1是温度在30℃～100℃之间的伏安特性曲线。

从图1中我们可以看到，这种LED的导通电压随着温度变化改变是比较大的，通常可以达到-4mV/℃，比一般的二极管大约一倍，相应的这种LED工作电流随温度的变化也是较大的，基于这种特征，一旦LED的工作温度升高，LED的导通电流就加大，电流越大，温度又会越高，形成恶性循环，不仅会使LED产生光衰，同时还要影响整个装置的散热条件，影响整个装置的使用寿命，因此必须控制LED的工作温度。

图1 伏安特性与温度的关系

图2 结温与光通量衰减的时间曲线

1.2 LED的结温与光衰

图2是LED结温与光通量衰减的时间曲线，从图2中可以看出：结温越高，光通量衰减越快，结温与光通量衰减基本上呈线性关系。以光通量衰减到80%计算LED的工作期限，在结温为105℃时，约10000小时，在结温为65℃是，工作期限约为8万小时，因此控制结温，就可以延缓光通量衰减的时间，也就是延长LED使用期限。

2 LED脉冲驱动电源的设计

本文基于温度传感器控制的LED脉冲驱动电源设计的主要思想是：LED是以额定电流启动和工作的，通过LED的电流为方波，随着照明时间的增加，LED的温度升高时，根据LED伏安曲线的温度特性，控制通过LED上的电流脉冲的导通比，减少流过LED上的电流，达到控制LED的工作温度，从而减少光衰，延长LED的使用寿命。

2.1 脉冲电源设计的工作原理

基于温度传感器控制的LED脉冲驱动电源设计的原理如图3所示，220V交流电压经整流滤波稳压形成由脉冲发生器控制的驱动电路，脉冲发生器的工作频率设计在300Hz～400Hz之间，脉冲的导通比由温度传感器控制，当温度在常温时脉冲导通比设计为90%，随着温度升高，导通比将逐步下降，因此流过LED的电流将逐渐地减少，从而使LED的温度降低。

图3 基于温度传感器控制的LED脉冲驱动电源的原理框图

2.2 脉冲驱动电源的电路设计

脉冲发生电路是非常成熟的电路，应用也比较广泛，选择使用脉冲发生电路的原则是线路简洁、可靠性高、寿命长；本文采用典型的555时基电路作为脉冲发生电路，555时基电路具有工作电压宽，易于调节的特点。图4为使用温度传感器调节脉冲的电源电路线路图，其中Rt为温度传感器，脉冲宽度由Rt、R1、R2和C1的参数决定，Q1为功率开关三极管，R3为限流电阻。

图4 为使用温度传感器调节脉冲的电源线路图

图5 Rt阻值与温度的关系曲线

2.3 相关器件的选择和参数计算

温度传感器Rt采用负温度系数的半导体热敏电阻，型号采用MF11系列，其电阻与温度的关系曲线如图5所示，在常温下25℃时电阻值约为8.2K，在85℃时电阻值约为1.5K。考虑到LED在25℃时电路的导通比为90%，在85℃时导通比为75%，根据555时基电路的频率周期计算公式，占空比D为：

25℃时：Rt＝8.2K，85℃时：Rt＝1.4K，计算：R2 =1.13K，取 R2 =1.2K；R1 =0.86K，取 R1=0.82K；工作频率设计为400HZ，C1取值为1.2uF。占空比由90%调节到75%，通过LED管芯的电流可以下降16.7%，足以限制和保护LED的温度当电源的不超过85℃，从而解决LED的发热和光衰问题。

3 结束语

LED照明电源设计的不合理，不仅将大部分的电功率转化为热量，同时还需要设计比较大的散热器，这样电路不仅复杂，故障率还高，使用寿命短、生产成本也将升高，大大地限制了市场的竞争力与购买群。将目前LED恒流或恒压驱动的电源，设计成用温度传感器控制的脉冲驱动电源，不仅电路简洁，还可以从根本上解决LED照明中的散热问题，节约成本，提高效率，延长LED照明的工作寿命，是当前推广LED照明行之有效的途径和手段。

[1] 胡险峰, 朱世国PN结正向伏安特性曲线随温度的变化物理实验, 2003. 10.

[2] 程江华, 谢剑斌, 丁文霞, 等. 白光LED电源驱动电路的设计与实现. 电子技术, 2005, (8).

[3] 国家半岛体照明产业联盟. 中国半导体照明产业发展年鉴(2006). 科学出版社, 2006.

[4] 周志敏, 周纪海, 纪爱华, 等. LED驱动电路设计与应用.北京: 人民邮电出版社, 2006.