大功率LED的驱动电路设计

梁计锋，尤国强，任华，梁瑞

（西安翻译学院，陕西西安，710105）

大功率LED的驱动电路设计

梁计锋，尤国强，任华，梁瑞

（西安翻译学院，陕西西安，710105）

LED(Light Emitting Diode)作为新一代绿色光源,具有节能、环保和光转换效率高等特点,在照明应用方面已广泛展开。尤其是大功率LED光源更是备受喜爱，由于LED光源不能直接用市电220v电压直接供电，需特殊电压供电，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。本论文主要介绍一种LED恒流驱动电路，其采用恒流芯片PT4115来实现对大功率LED的高效恒流驱动。此电路具有效率高、成本低，可靠，安全等优点，适合当今大功率LED驱动电路的市场发展前景。

LED光源；驱动电路；恒流；PT4115

0 引言

LED(Light Emitting Diode)作为新一代绿色光源,具有节能、环保和光转换效率高等特点,在照明应用方面已广泛展开。尤其是大功率LED光源更是备受喜爱，由于LED光源不能直接用市电220v电压直接供电，需特殊电压供电，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。目前的LED驱动电源主要采用电阻限流法、线性控制法、开关控制法等。电阻限流法与线性控制法虽然都具有结构简单，成本低廉等优点，但转换效率低和功耗大等缺点，开关控制法虽然效率高，但成本也较高。虽然近年来迅速出现了针对大功率LED灯的驱动器芯片，价格不贵，效率也较高，但固定不可调，遇到LED灯突然增减，无法及时调整，造成LED灯不能正常工作。

1 LED 驱动

1.1 LED驱动的概念

LED灯具有节能、环保、电/光转换效率高等优点被广泛使用。但LED光源特性较为敏感，又有负的温度特性的半导体。因而在应用过程中需要对工作状态进行稳定以及电路保护，从而便产生了驱动的概念。LED光源对电源的要求非常高，它不可以直接接入 220V的交流，只需要2-3V 的直流低电压驱动即可。所以在统一市电的接入中，需要电压变换电路才能正常工作，我们将这样的电源转换电路称为适配器或驱动器。不同功率的 LED灯，要有不同的电源驱动器。LED驱动器的好坏制约着LED 产品的性能，可靠性以及使用时间。近年来对于单个大功率和多个小功率LED灯的需求量大幅度增加，而传统的LED电源不能很好的解决大功率带来的恒流大电流问题，也对于变化了的LED灯不能随之变化的电源驱动问题没有给出很好的解决方法。为了让其安全可靠的工作，LED的驱动电流必须低于 LED 额定的电流值。LED在工作中，当温度升高时，所允许的额定电流也会下降。一般情况下，当温度由25℃升高至 85℃时，额定电流由 30m A降低至 6m A。若采用恒压驱动方式，LED正常导通后，由于温度变化而引起的电流变化可能会超过额定电流值。所以对于LED驱动器基本都应用恒流驱动电路，对于大功率LED的来说，能否应对大电流的恒流驱动是问题的关键。

1.2 LED的驱动的分类

LED驱动简单的来讲就是给LED提供正常工作条件(包括电压,电流等条件)的一种电路,也是LED能工作必不可少的条件,好的驱动电路还能随时保护LED，避免LED被损坏。 LED驱动通常分为以下三种方式。

①镇流电阻驱动：就是简单的的在LED的回路中串接电阻,通过调节电阻的阻值,可以改变LED的驱动电流。

LED的工作电流为：

因为在LED正常工作时，UL电压固定不变，在电源电压不变时，导通I与镇流电阻R成反比；当电源电压U变化时，镇流电阻R抑制驱动电流I的过量变化，使I不超出LED的允许范围。从而实现稳流驱动的目的。此电路虽有结构简单，成本低等优点；但电流稳定度不高；电阻发热功率大，效率低等缺点，使其仅适用于小功率LED范围。

②恒压驱动：就是保持LED两端的电压不变，因为各种颜色的LED的电压都有所不同,所以很少用恒压的方式来驱动LED。

③恒流驱动：就是保持LED的电流一直不变,让LED在恒定电流的条件下工作。

由于大功率LED光源需要低电压、大电流才能驱动的器件，由于LED的光强由流过LED的电流大小决定，由于LED两端电压微小的变化就会引起电流较大的变化，不稳定电流过强会引起LED发光的闪烁不定，不仅影响光强和寿命，还对人眼有较大的伤害。因此LED的驱动器需要提供恒流电流，以保证大功率LED使用的安全性，所以一般都选择恒流驱动IC。

2 恒流驱动方式电路

为了保证LED驱动电路既保证有恒流特性以外，还应保持较低的功耗。因为大功率LED光源需要较大的驱动电流，考虑到以上问题。特设计LED适配器框图1如下所示：

图1 LED适配器整体框图

2.1 适配器的选择

适配器的主要目的是将市电的交流220V变换成低压的直流。现在最好的既便宜又好用的适配器就是可供手机充电的便携式交直流降压变换器--适配器（Adapter），其输出电压基本为DC12V，其输出电流的多少要根据LED的光源的功率来选择，一般要预留30%的量，1W的白光LED的标准工作电流应为350mA，而5个串联LED光源电路的电流也是350mA，为了延长LED寿命和降低光强，我们初步设计电流为300mA--330mA，这样就不会明显的影响LED发光的亮度，所以适配器的输出电流应选750mA～1A 的。

2.2 驱动芯片

由于本设计采用PT4115恒流驱动芯片，其是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，输入电压范围8-30V,输出LED电流1.2A可以驱动多达7个串联的LED,提供从1W～28W以上的输出功率,效率高达97%。由于外部电流检测电阻的压降仅为100mV,以及内部0.4Ω的导通电阻,降低了芯片和系统的功耗,大幅提升了LED照明系统的效率,达到省电的效果。同时PT4115输出LED的电流精度达±5%。为了方便用户有效的调光,PT4115可以接受PWM和模拟调光,特别需要指出的,PT4115极为快速的电流响应时间使得在100Hz PWM调光时的调光比高达5000:1(0.02%-100%)。击穿电压大于45V，输出200～1200mA恒定直流，其采用频率抖动技术有效地改善EMI；芯片的管芯可通过直接连通到封装外的金属板散热；导热效果好；PT4115内部设置了过温保护功能，以保证系统稳定可靠的工作。当IC芯片温度超出160℃,IC即会进入过温保护状态并停止电流输出,而当温度低于140℃时,IC即会重新恢复至工作状态。PT4115的工作效率高达97%,是真正的绿色驱动IC，PT4115被广泛应用于使用LED灯的MR11、MR16、水灯、路灯等各类LED灯具。

2.3 大功率LED

可以选择1W白光LED

3 设计电路原理

图2 LED适配器电路图

前级电压适配器先将220V交流转换为12V直流，作为驱动芯片PT4115的输入电流，保证电路正常工作，桥式整流电路二极管常用1N4007。

R1是调流电阻，控制PT4115输出电流的大小，即确定恒流源的精度。负载电流与R1的关系为：

由于负载是5个串联的1W LED，额定电流为350mA，则采样电阻R1的大小为：

所以R1可以选择阻值约为0.2857欧姆的金属膜电阻。

L为整流电感，主要是把100KHz的高频脉冲电流变换成三角波电流，L的电感量的大小会影响恒流源电流的稳定性和本电路的工作频率。由于PT4115驱动芯片的设计频率为1MHz 以下，根据实验，本方案的电感设计在68uH，系统的工作频率可以控制到1MHz 以下，且品质因数Q值大于50，饱和电流大于800mA 的磁路闭合电感器。

D5为续流二极管，在PT4115内部的MOS管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路。由于工作在高频脉冲状态，D5应选用正向压降小，恢复速度快的肖特基二极管。芯片PT4115的DIM端悬空。

4 PT4115的动态温度调节和过温保护

PT4115不但可以动态温度调节，还有过温保护功能。动态温度调节可以通过电感来实现，电路如图3所示。

由于DIM端的内部是一个1M的上拉电阻另一端接5V电源上。所以在DIM端另接热敏电阻NTC，5V电压由内部电阻和热敏电阻NTC分压决定。温度的变化使得热敏电阻阻值发生变化，从而使DIM端电压改变，将在上拉电阻上的电压保持不变，以实现输出电流的稳定。

过温保护的实现从如上右图四中可见，相对于图3多了一个三极管电路，此三极管实现开关作用。当温度过高时，热敏电阻的阻值减小，其上的分压值也减小，则其下面电阻上的分压值则升高，当其电压升高到超过三极管的开通电压时，三极管则导通，DIM端则接地，则无输出电流，当温度降低时，PT4115重新启动，从而实现了PT41 15的过温保护。

图3 过温保护电路

图4 LED动态温度调节图

5 设计总结

本文主要设计了一款以PT4115芯片为核心的大功率LED驱动器电路，LED先选择5个1W的串联白色光源，从仿真效果看，其工作正常。然后去掉了2个，剩下3个LED灯，仍然可以正常发光。但在设计中还需要注意以下问题。

（1）由于驱动芯片PT4115是耐压40V的CMOS工艺，为了让其安全可靠的工作，其输入电压要有一定的冗余以便于散热。

（2）PT4115内部虽然自带有过温保护功能，外设过温保护可设可不设，但如果设有，则可以实现对LED的双重保护。

（3）PT4115虽然可利用PWM调光，但PWM 调光有可能会产生噪声，所以在本设计中没有添加专门的PWM调光电路，而是模拟PWM调光。

（4）驱动多个小功率LED灯比单只大功率的LED灯的效率高。所以，本设计对于叠加的大功率LED更适合。

（5）为了降低管耗，续流二极管一定要选用低压降的肖特基二极管。

（6）PT4115利用频抖技术较好地改善了EMI。

[1]张小红,欧浩.源面向大功率LED电源驱动的PT4115控制系统[D].贵州师范大学学报(自然科学版),2014.

[2]何湘艳,廖勇.光学仪器照明用的大功率LED驱动电源设计[J].电子制作,2013.

[3]蒋天堂. LED的特性及驱动电源的发展趋势[J].电子技术，2010.

[4]宋晓娟.电流平方控制的大功率LED驱动电路[J].电源技术,2010.

Design of driving circuit for high power LED

Liang Jifeng,You Guoqiang,Ren Hua,Liang Rui
(Xi’an Fanyi University, Xi’an Shaanxi, 710105)

LED(Light Emitting Diode) as a new generation of green light source, with energy saving,environmental protection and high efficiency of light conversion characteristics, has been widely used in lighting applications. In particular, high-power LED light source is much loved, because the LED light source can not be directly used for direct supply of electricity 220V voltage, the need for special voltage supply, therefore, the need for a dedicated driver circuit to light up LED. This paper introduces a LED constant current drive circuit, the constant current chip PT4115 to realize constant current drive of high power LED. This circuit has many advantages, such as high efficiency, low cost, reliability, security, and so on. It is suitable for the market development of high power LED drive circuit.

LED light source； drive circuit； constant current；PT4115

梁计锋，男，1979年3月出生，汉族，陕西省咸阳市乾县人，硕士学位，讲师，主要研究方向为电子技术。

西安翻译学院校级科研项目编号：16B03。