亮度可调大功率白光LED驱动电路设计

张慧熙,安 康,王琦晖,胡克用

(杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310012)

亮度可调大功率白光LED驱动电路设计

张慧熙,安 康,王琦晖,胡克用

(杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310012)

采用SD42524芯片设计了亮度可调的大功率白光LED驱动电路.该电路最大可驱动10个串联的350 mA白光LED，功率达到10 W，并可随意调节亮度.调节亮度所需要的PWM信号由EPM240T100C5芯片产生，该芯片具有80个灵活的I/O口，便于扩展.该驱动电路具有性价比高、驱动能力强、应用范围广等特点.

大功率；LED；PWM

0 引 言

白色发光二极管，即白光LED，是国际公认节能、环保、高效、长寿命的下一代照明光源.随着白光LED技术的进步，它正逐步被应用到各个领域.目前，LED照明产业的竞争如火如荼，各国的焦点都集中在大功率高亮度白光LED这一领域.节能减排是时代的主题.同等亮度的白光LED比传统光源节能80%以上，因此，使用LED光源不仅更经济，还可以大幅度减少污染物的排放.再者，传统光源不便于调节亮度，这也是浪费能源的一个方面.如果使用LED光源并且可以任意调节亮度，就能更大幅度地节能减排[1].基于这个目的，设计了亮度可调大功率白光LED驱动电路.

1 电路设计

与传统光源不同，LED需要专用驱动芯片才能使其高效持续的工作.对LED采用恒流驱动方式较之恒压驱动具有更高的可靠性，同时也有利于保证各个LED之间亮度和色度的一致[2].LED光源通常是采用DC-DC式恒流电源来驱动的，这类恒流驱动电源通常分为升压型或降压型两种.假如电源电压低于负载电压就采用升压型；假如电源电压高于负载电压就采用降压型.LED负载的正向电压是由其正向电流决定的，为了调光，负载电压有时会低于电源电压，这样升压型恒流源就根本无法工作，所以可调亮度LED驱动电路应采用降压型恒流源[3].实际上，如果采用升压型恒流源驱动LED发光，当通过调节正向电流而调光时，只要调到很低的亮度几乎一定会产生闪烁现象，因为此时LED负载电压一定是低于电源电压.而采用降压型恒流源，因为同样的调光方式可保证LED负载电压低于电源电压，从而减弱闪烁现象，所以降压型恒流源是较好选择.

SD42524是一款降压型、PWM控制、功率开关内置的采用电流模式驱动LED发光的集成芯片，其结构如图1所示[4].SD42524内部的放大器、比较器、触发器、功率开关管和负载电路一起可构成负反馈工作回路，所以能够稳定LED亮度.图2所示电路就是采用SD42524而设计的亮度可调大功率白光LED驱动电路.实验电路使用的发光二极管是美国普瑞1W白色LED灯珠.另外，SD42524批发价格低廉，可以降低产品的成本，提升竞争力.

图1 SD42524的内部电路结构Fig. 1 Internal circuit structure of SD42524

图2 白光LED驱动电路实验原理图Fig. 2 Schematic diagram of driver circuit for white light LEDs

1.1 外围电路器件选择

1)输入电容Cin.此电容在功率管导通的时候提供脉冲电流，功率管截止的时候电源对电容充电，由此来保持输入电压的稳定性并且减小输入开关噪声.Cin的容量大于20 μF，Cin的耐压值必须大于输入的峰值电压.另外，布板时Cin尽可能离输入脚近一些.

2)输出电容Co.在LED两端并联一个电容可以减小输出电压纹波，从而减小LED的纹波电流，当然这个电容并不会影响工作频率和效率，但是通过减小LED上电压上升的速率，会增加启动时间.输出电容越大，LED上的电流纹波越小.这里建议使用2.2 μF或者更大的电容.Co的耐压值也必须大于输入的峰值电压.

3)输出电感L1.这个电感用于维持输出电流的恒定，电感值越大，输出电流纹波越小，但是物理尺寸越大，串联电阻越大.L1的有效电流(RMS current rating)需要大于最大输出电流，饱和电流要比最大输出电流高30%，为了提高效率，电感的串联电阻(DCR)要小，应小于0.2 Ω.本设计选取的电感为47 μH.

4)续流二极管Do.因为SD42524是非同步的降压型调节器，所以需要二极管在功率管截止的状态下提供续流.由于肖特基二极管正向导通压降小，反向续流时间短，所以一般用于续流.在功率管导通过程中，二极管要承受高压，所以选择的二极管反向耐压必须大于输入电压.

5)采样电阻Rs.LED的亮暗由输出电流Iout大小决定，而Iout由Rs与其两端电压值决定.芯片的采样电压值VIN-VSENSE，即Rs端电压为88 mV.采样电阻Rs的大小决定了输出的最大值电流，即最大亮度，实验电路使用0.25 Ω15 W水泥电阻.

(1)

6)温度补偿电阻R2.随着温度的升高，白光LED所允许通过的最大电流降低，为了保护LED，需要在温度升高时自动降低Iout.图2所示的电路中，R2为负温度系数(NTC)电阻，可以用于温度补偿.当温度为室温25℃时，R2上的分压为1.22V，输出电流为100%电流值，当R2检测到发光LED附近的温度高于室温时，R2阻值降低，分压VADJ降低到1.22 V以下，Iout按式(2)减小，从而保护发光二极管.VADJ为SD42524的TADJ管脚电压.实验电路所用的VDD为12V，R1的阻值取100K，NTC电阻R2取10KΩ(室温).

(2)

1.2 电路工作原理分析

SD42524采用降压型转换器(Buck converter)电路架构驱动大功率LED.图2中肖特基二极管D0、电感L1、负载LED和图1所示SD42524内置功率管M1组成Buck电路模型.功率管M1的开关逻辑由SD42524来产生.

当图1中的功率管M1导通时，SD42524的第1引脚SW为低电平，图2中的二极管D0不导通，电流回路从电源开始，经过Rs、负载LED、电感L1以及功率管M1再流回电源，电源在点亮LED的同时，也对电感储能，简化电路如图3所示.当功率管M1截止时，因电感电流不能瞬间改变极性，二极管D0导通，通过电感L1、Rs以及输出负载LED形成电流回路，此时电源VIN无法直接对输出负载提供能量，改由电感上的储能经此封闭回路释放能量，点亮LED，简化电路如图4所示.

图3 功率管M1导通时，电路工作原理Fig. 3 Circuit principle of work when power transistor M1 is turned on

图4 功率管M1截止时，电路工作原理Fig. 4 Circuit principle of work when power transistor M1 is turned off

PWM调光是LED驱动芯片SD42524的一个重要功能，主要是通过外接PWM信号，控制驱动芯片正常工作和关断的时间，从而调节LED的平均电流大小.模拟调光是改变LED峰值电流大小，使其平均电流改变.相对于模拟调光，PWM调光不会产生色偏现象，而且调光比要大于模拟调光.

2 PWM信号发生电路

脉冲宽度调制(PWM)模块在所设计的驱动电路中与SD42524一起实现LED亮度可调功能.通常在PWM中，有一个周期性矩形脉冲信号，保持其周期不变而改变脉冲的占空比可以改变信号的平均功率.用这样的PWM信号去控制功率开关管即可实现LED照明电路的亮与灭，从而可以控制照明设备的平均功率，即实现亮度可调.当所用的PWM信号周期小于10 ms时，人眼由于视觉暂留特性是感觉不到光源闪烁的,因此，这个调光方案是可行的，并具有完全的实用性.

实现PWM信号可以用微处理器(MCU)，也可以使用小型可编程逻辑器件(CPLD)实现.MCU面积小，价格低，但由于需要运行控制程序，因而可靠性要比纯硬件发生逻辑低.通过软件编程的形式配置后的CPLD是纯硬件逻辑电路，由于其内部并无程序运行，所以可靠性较高.本设计采用MAXII系列的EPM240T100C5，MAXII系列器件还有内部振荡器，该振荡器是用户闪存(UFM)的组成部分，能够满足很多设计对时钟的需求，避免使用外部时钟电路，减少元件数量，节省了电路板的面积，降低了系统总成本[5].图5为由CPLD实现的PWM信号发生电路图.

图5中的OSC模块和clk_gen模块用于产生两路频率不同的时钟信号.OSC模块采用LPM(Library of Parameterized Modules参数可设置模块库)进行设计，调用mega_lpm库中的图形元件并修改相应参数即可.这个OSC选用EPM240T100C5内部用户闪存振荡器，输出频率3.3 MHz.clk_gen模块对OSC输出的3.3 MHz时钟信号进行分频，将得到3.3 KHz的信号作为pwm_gen模块的时钟源，进一步分频得到的3.3 Hz信号作为duty_ cycle模块的时钟源.

图5 CPLD实现的PWM信号发生电路Fig. 5 PWM signal generating circuit based on CPLD

两路输入up和down连接duty_cycle模块.duty_cycle模块包含4位二进制计数器，用于设置PWM信号的占空比，如果up或down有效，则提高或降低PWM信号的占空比，从而调节亮度.pwm_gen模块中内部含有4位计数器COUNT以3.3 KHz频率不停地计数.该计数器的当前值和存储在duty_cycle模块的占空比参数进行比较，当前者小于后者时，PWM为高电平，否则为低电平.

SD42524要求输入的PWM信号频率在100 Hz～2 KHz之间，为了使人眼感觉不到闪烁，兼具较好的电磁兼容性，将PWM信号的频率设定为200Hz.pwm_gen中COUNT为4位计数器，输入时钟为3.3 KHz，所以输出的pwm频率为200 Hz，满足要求.

图6为duty_cycle模块的波形仿真图.当up为低有效电平时，duty_cycle数值增大，即pwm的占空比增大，LED会变亮；当down为低有效电平时，duty_cycle变小，即pwm的占空比减小，LED会变暗；当up和down同时为低电平时，duty_cycle增大，即up的优先级比down高；当up和down同时为高电平时，duty_cycle保持，即pwm的占空比不变，LED亮度不变.不难看出，该PWM信号的占空比有16档，对应的LED亮度也有16档，能够满足普通照明需求.

图7为pwm_gen模块的波形仿真图.pwm_gev模块时钟信号clk频率为3.3KHz，当duty_cycle信号为8时，pwm的占空比为50%，当duty_cycle信号为12时，pwm的占空比为75%，pwm的频率都为200Hz.可见，由up和down两个控制按键能够随意调节LED光源亮度.

图6 duty_cycle模块的波形仿真图Fig. 6 Waveform simulation diagram of duty_cycle module

图7 pwm_gen模块的波形仿真图Fig. 7 Waveform simulation diagram of pwm_gen module

3 结束语

国产芯片SD42524是降压式恒流型LED驱动器，其最大输出电流可达1A，而输入电压变化范围为6～36 V；又知一般白光LED的正向电压为3～4 V左右，如果按白光LED的正向电压3.5V计算，该芯片最大可驱动10个串联的350 mA的白光LED，功率达到10 W.实验表明，所设计的驱动电路可以驱动10只美国普瑞1W白光LED，工作比较稳定，且无明显闪烁现象，完全满足20 m2左右房间的照明需求.另外，由于EPM240T100C5具有80个I/O口，所以可以将多余的79个I/O用来向外扩展驱动其它SD42524，从而组合成近800 W的大型照明设备.该驱动电路具有性价比高、驱动能力强、应用范围广等特点.

[1] 沈勇.电流控制模式PWM白光LED驱动电路的研究与设计[D].合肥:合肥工业大学,2010.

[2] 郑晓东,郭维,朱大中.大功率照明白光LED恒流驱动芯片设计[J].固体电子学研究与进展,2009,29(1):122-125.

[3] 茅于海.LED的调光原理分析与设计实例[EB/OL]. [2011-11-12].http://www.cali-light.com/b2b/file/upload/201103/09/10-39-41-92-1.pdf.

[4] 杭州士兰微电子股份有限公司.SD42524[EB/OL].[2012-05-06]. http://www. silan.com.cn/product/ProductItemDetail.aspx?id=18&pid=20090605104347633797954272923613&c=LED%e7%85%a7%e6%98%8e%e9%a9%b1%e5%8a%a8%e7%94%b5%e8%b7%af.

[5] Altera Corporation. Data Sheet EPM240T100C5[EB/OL].[2012-01-03].http://www.altera.com/literature/lit-max2.jsp.

TheDriverCircuitDesignforBrightnessAdjustableandHighPowerWhiteLED

ZHANG Huixi, AN Kang, Wang Qihui, HU Keyong

(Qiangjiang College, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310012, China)

The driver circuit for brightness adjustable and high power white LED was designed with chip SD42524. The circuit can drive 10 350 mA white LEDs in series connection, consume power up to 10W, and adjust the brightness of LED at will. The PWM signal which could adjust brightness was generated by chip EMP240T100C5, which had 80 I/O ports that could be easily extended. This driver circuit has the characteristics of high cost performance, high driving ability and wide range of application.

high power; LED; PWM

2013-03-12

杭州师范大学钱江学院科研基金项目(2012QJJL04).

张慧熙(1980—)，女，讲师，硕士，主要从事集成电路设计、数字系统开发、数据采集和信号处理研究.E-mail：zhhuixi@126.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.05.009

TN312.8

A

1674-232X(2013)05-0429-04