基于自动跟踪LED驱动电压控制电路的创新设计

罗晓琴

(西南科技大学,四川 绵阳 621010)

基于自动跟踪LED驱动电压控制电路的创新设计

罗晓琴

(西南科技大学,四川 绵阳 621010)

LED发光二极管在发光时约有80%以上的功率转化成了热能，导致LED发光二极管的PN结温度过高,这是影响LED发光二极管的发光效率与照明功能的主要因素。本文针对上述问题,结合现实情况,设计了一种自动跟踪LED驱动电压的控制电路，从串联稳流单元采样一个电压信号，与本控制电路中的基准电压相比较，产生一个控制信号，去控制所述串联稳流单元前级的开关稳压电源，使它的输出电压随LED灯的工作电压的变化而变化，不增加调整管的功耗。避免了常见的恒压驱动亮度变化大的缺陷,从而大幅度提高LED发光二极管的工作效率,该控制电路结构简单、成本低、损耗小与可靠性高。

LED；热能；自动跟踪；控制电路；工作效率

目前，LED[1-2]发光二极管因其具有节能及环保特性，在灯具上的应用越来越多。但由于LED发光二极管的单管功率小，一般需要多只LED发光二极管进行串并联(串联后再并联)使用，才能满足灯具的照度要求。而LED发光二极管发光时，80%以上的功率转化为热能，使得LED发光二极管PN结的工作温度很高[3-6]。

另外，由于二极管的PN结的温度漂移特性，不同温度下的结压降相差很大(刚点亮时节压降高，稳定工作后结压降低)，再加上不同厂家不同批次器件的结压降偏差也很大，而二极管PN结的电压与电流之间是指数函数的关系，当电压增加一点时，电流将急剧增长。LED发光二极管的亮度，与二极管的电流呈线性比例关系，因此，多只LED发光二极管的恒压驱动亮度变化很大，没有实用价值，一般都用恒流进行驱动[7-9]。

1 常见的LED驱动电路

如图1所示， AC/DC将交流电转变为直流稳压电源，DC/DC是将直流稳压电源再变换为多组恒流源，LED1-LED3可以组成一个LED灯串，通过一组恒流源可以驱动一串LED灯。

图1 现有技术中LED驱动电路的工作原理示意图

如图2所示，VDC为AC/DC开关稳压电源的直流输出，LED中的电流等于Z1的端电压与R3之比。

图2 现有技术中LED驱动电路的工作原理图

如果LED中的电流增加，R3上的电压将会随着升高，IC1的输出电压降低，调整管Q1的阻抗增加，Q1上的电压升高，LED上的压降降低，LED中的电流下降，从而稳定了LED中流过的电流。这里，Q1可以是MOS管，也可以是晶体管等功率器件。图1与图2中仅以3只LED灯作为示范，实际使用中可以根据需求设置。LED灯串的电压就是VDC与LED-(Q1D极)之间的电压。

在图2中，LED驱动电路是通过改变调整管Q1的阻抗，来实现稳定电流；LED灯串不变，VDC越高，Q1中的压降就越大，Q1的损耗也就越大。另外，在开关稳流电路中，可以采用BUCK或BOOST开关稳流电路，损耗几乎不随VDC的升高而增加，效率大大提高，是现有技术中的主流方案[10-11]。但是，在多组开关电源中，多个工作频率之间的干扰很大，EMC抑制很困难，电路结构复杂，成本高，且可靠性低，这是开关稳压电路的最大缺陷。

综上所述，现有技术中至少存在电路复杂、成本高、损耗大与可靠性低的缺陷。

2 一种自动跟踪LED驱动电压的新型控制电路

为解决现有技术的难题，本文设计出一种自动跟踪LED驱动电压变化的新型控制电路[12-15]，如图3所示。其工作原理为：从串联稳流单元采样一个电压信号，与本控制电路中的基准电压相比较，产生一个控制信号ADJ，ADJ是高电平低电平都可以连接到前级AC/DC的开关稳压电源的稳压控制回路，降低开关稳压电源的输出电压VDC，从而降低调整管Q1上的电压降，使Q1上的电压降几乎保持不变，电流功耗也不变。通过该控制电路，AC/DC稳压电源的输出电压VDC不再是固定不变的，它是跟随LED灯串的工作电压的变化而变化，使调整管的功耗不增加；从而可以克服现有技术结构复杂、成本高、损耗大与可靠性低的缺陷，以实现结构简单、成本低、损耗小与可靠性高的优点。

图3 新型自动跟踪LED驱动电压的控制电路

3 自动跟踪LED驱动电压的控制电路的应用

上述实施方案具有以下显著的效果[16]：

(1)换效率高：本控制电路的串联稳流电路的效率远远超过BUCK或BOOST稳流电路的效率。图4中的Q1上的电压降可以控制在0.1 V以内，R3上的电压降也可以控制在0.1 V以内。如果VDC在48 V左右,则转换效率约为99%，国内外还未有如此高转换效率的稳流电路。具体证明如下 ：

图4 新型自动跟踪LED驱动电压的控制电路应用实施电路示意图

设定：输入电压=VDC,输入电流Iin=输出电流Iled，Q1漏极电压为Vled-，控制电路电压为VC1，控制电路电流为IC1,取样电阻R3上电压为VR3，

灯珠工作电压Vled=VDC-Vled-, 输出功率Pout=Vled*Iled,

控制电路功耗PC=VC1*IC1， 输入功率Pin=VDC*Iin+PC

按常规路灯应用电路的灯珠电压一般为48 V，Vled=VDC-Vled-=48 V，

取样电压取0.1 V,即VR3=0.1 V，MOS管Q1的DS电压Vds取0.1 V,Vled-=VR3+Vds=0.1 V+0.1 V=0.2 V,VDC=Vled+Vled-=48 V+0.2 V=48.2 V

常规2 W灯珠电流0.7 A,Iled=0.7 A,

MOS管是压控型器件，由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流，栅极不吸收电流，稳压管一般取1 mA电流，整个控制电路电流IC1可以控制在10 mA以内，即IC1=0.01 A,VC1常规12 V,即VC1=12 V,故

PC=VC1*IC1=12 V*0.01 A=0.12 W;

Pout=Vled*Iled=48 V*0.7 A=33.6 W

Pin=VDC*Iled+PC=48.2 V*0.7 A+0.12 W=33.84 W

转换效率η=Pout/Pin=33.6 W/33.84 W=99.23%

(2)不产生EMC干扰；

(3)电路简洁可靠，成本增加很少

4 实验数据测试

如图4所示，选用60V2A的光源，4串灯珠并联，每串18颗3 W灯珠,每颗灯珠电压3～3.4 V；开关电源选用63 V恒压电源，带电压调节端子VADJ；R3取10 mΩ，Q1选用IRF3710，内阻Rdson18 mΩ；Vin取0.1 V。图4ADJ端子接开关电源VADJ，实测光源热稳定后工作电压57.6 V,电流2 A,开关电源输出电压57.7 V,VC1用直流稳压电源输出10 V,电流14 mA,控制电路损耗为10V*0.014A=0.14 W，调整管Q1及取样电阻损耗=Vin*Io=0.1*2=0.2 W,整个恒流电路损耗=0.2+0.14=0.34 W.恒流源效率=57.6*2/(57.7*2+0.34)=99.53%.

任何控制电路都是无效率可言的，产生的只是一个控制信号，一般所谓的高效率是指可以做成高效率的恒流源。因此以上实验结果表明了本设计方案确实可以做到高效率的“恒流源”，再次论证了本设计方案的先进性与可行性。

5 结 论

本文设计的自动跟踪LED驱动电压的控制电路克服了现有技术中电路复杂、成本高、损耗大与可靠性低等缺陷，实现了电路简洁、成本低、效率高，损耗小与可靠性高的优点。

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The Innovation Design of Automatic Tracking Control Circuit of LED Driving Voltage

LUO Xiao-qin

(Southwest University of Science and Technology,Sichuan Mianyang 621010)

In the light emitting diode LED has about more than 80% of the power conversion into heat energy,resulting in LED light emitting diode PN junction temperature is too high,which is the main influencing factors of LED light emitting diode light-emitting efficiency and lighting function.Aiming at the above problems,combined with the reality of the situation,a control circuit of the automatic tracking of the driving voltage of LED design.A sampling voltage signal from current series compared with the reference voltage unit,the control circuit,a control signal is generated to control the series switching power supply unit level current before changes to its electrical output voltage with the pressure of the LED lamp changes,does not increase the power consumption of the adjusting tube.To avoid the common defect of constant voltage driving the brightness changes,thereby greatly improving the working efficiency of LED light-emitting diode,the control circuit has the advantages of simple structure,low cost,low loss and high reliability.

LED；heat；automatic tracking；control circuit；efficiency

2016-07-01

教育部高等学校物理基础课程教学指导委员会项目(WJZW-2010-38-xn)

1007-2934(2016)06-0018-04

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.005

专利: 实用新型专利(专利号ZL201020712471.8)