基于AL8843 设计制作LED 灯恒流源电路

梁超，谢皓

（江西信息应用职业技术学院，江西南昌，330043）

大功率白光LED 光效比较高，用于照明其成本也较低，使用比较广泛。照明用大功率白光LED 在使用中的关键是设计恒流驱动电路，要求可靠性高、效率高、能稳定调光。本文以AL8843 为核心芯片设计恒流驱动电路，在电路设计、器件选择、PCВ 图设计上进行了充分验证和优化，经测试后，提供了一款性能指标方面完全达标的方案。供业界同行参考。

1 白光LED 的工作特性

白光LED 的核心为PN 结，所以其伏安特性和普通二极管是一样的，白光LED 的V-A 曲线详见图1。通过图1 可以看出来，在LED 正向电压的变化比较小的时候，LED 电流的变化比较大。因为流经LED 的电流出现改变，LED 发光强度也会改变。所以，为了保证LED 发光强度稳定，就要提供给LED 恒定电流[2]。

图1 白光LED 的V—A 曲线

在理想情况下，LED 的寿命为10 万小时。由于大功率LED 热量在小尺寸芯片中集中，芯片PN 结的温度比较高，导致器件热应力分布不均匀，使芯片发光效率得到降低。在LED 超过一定值时，器件的失效率会提高。只有保证LED结温比某个额定值要低的时候，才能够使LED 寿命延长[3]。

2 电路系统的设计

电路系统主要包含系统供电电路和驱动白光LED 的恒流源电路两部分电路。图2 为系统基本原理框图。第1部分为开关电源电路，主要是将220V 交流电通过开关电源电路转换为+12V 直流电源，为恒流源电路提供+12V 电压，此部分电路可由一般的电源适配器（+12V）代替。第2 部分为基于AL8843 设计的LED 灯恒流源电路，通过此电路可有效控制LED 灯的驱动电流，从而控制LED 灯的亮度，要求控制精度高，稳定性、可靠性高。这是本文论述的重点。

图2 系统基本原理框图

■ 2.1 AL8843 芯片特性

AL8843 芯片内部结构如图3 所示，由内部稳压电源（产生4.5V 电压）、参考电压产生电路、PWM 信号发生器（脉宽受控于外部引脚CTRL 电压）、电流检测和控制电路（控制输出能达到的最大电流）、滞后比较器、内部功率MOSFET 开关管、热保护电路等组成。AL8843 主要用于设计多个串联连接的LED 恒流驱动电路。直流输入电压在4.5V和40V 之间范围内，能提供可调输出恒定电流。可调范围最高可达0～3A。根据电源电压和外部元件，可以提供高达60W 的输出功率。

图3 AL8843 芯片内部结构图

其主要特点如下：

（1）宽输入电压范围：4.5V～ 40V；（2）输出电流可达3A；（3）内部40V NDMOS 开关管；（4）输出电流精度为4%；（5）单引脚的开/关和亮度控制，由直流电压或脉宽调制信号控制；（6）模拟调光范围：10%～100%；（7）软启动；（8）效率高(高达97%)；（9）LED 短路保护；（10）固有开路LED 保护；（11）超温保护(OTP)；（12）高达1MHz 的开关频率。

■2.2 照度可调的白光LED 灯恒流源电路设计

根据AL8843 技术文档设计照度可调的白光LED 灯恒流源电路如图4 所示，电路由AL8843 恒流源电路、调光电位器电路和电源电路组成。系统供电通过12V 电源适配器供电。

图4 系统电路原理图（恒流源部分）

（1）标称平均电流的设定

恒流源标称平均电流的设定是由连接VIN 引脚和SET引脚（AL8843 第3 引脚）的外部电流检测电阻(RSET)的值决定的。在正常工作情况下，当正常输入电压加到+VIN时，AL8843 内部开关将打开。电流开始流过外部电流检测电阻RSET，电感L1 和LED 电流线性上升，上升速率由输入电压VIN,VOUT 和电感L1 决定。这个上升的电流在RSET上产生一个与电流成比例的电压。AL8843 的内部电路通过RSET 感知此电压，并将其送至内部比较器的输入端。当该电压达到内部设置的上阈值时，内部开关关闭。电感电流继续流经RSET，L1，LED 和二极管D1，并返回到供电轨道，但电流是衰减的，衰减速率由LED 和二极管D1 的正向压降决定。这个衰减的电流在RSET 上产生一个下降的电压，这被AL8843 感知到并送至内部比较器的输入端。当该电压降至内部设置得较低阈值时，内部开关再次打开。这个开关在开和关之间不断循环，持续提供由检测电阻RSET 设置的标称平均LED 电流。标称平均电流IOUT NOM 与电流检测电阻之间的关系如下式：

表1 给出了图4 所示应用电路中电流设置电阻(RSET)的几个首选值的与标称平均输出电流值之间的关系。

表1

图4 中电流检测电阻R1、R2 并联时，Rset 为0.05Ω，则设定的输出电流最大值为2A，如果焊接时不焊接R2，则Rset 为0.1Ω 设定的输出电流最大值为1A。

LED 电流也可以数字调节，通过将一个低频脉宽调制(PWM)逻辑信号应用到CTRL 引脚来打开和关闭设备。这将产生一个与控制信号占空比成比例的平均输出电流。为了达到高分辨率，建议PWM 频率低于500Hz。通常，对于500Hz 的PWM 频率，对于1%～100%的PWM，其精度优于1%。低占空比调光的精度受PWM 频率和AL8843 开关频率的影响。为了获得最佳的精度/分辨率，开关频率应该增加而PWM 频率应该减少。CTRL 引脚被设计成由3.3V 和5V 逻辑电平直接从逻辑输出驱动，逻辑输出可以是开漏输出或推拉输出。

（2）如何控制输出电流大小

本电路采用模拟调光模式，在图4 电路中，+12V 电压经电阻R4 和电位器R3 分压后输出0～3V 电压送至AL8843 第5 引脚（CTRL引脚）控制LED 灯的亮度和熄灭。调节电位器即可控制LED 灯流过的电流大小从而控制LED 灯的亮度。CTRL 电压与亮度之间的关系如图5 所示。当在CTRL 管脚上施加0.4V～2.5V的直流电压，可以将输出电流从IOUT_NOM的10%调整到100%，当CTRL 引脚高于2.5V时，LED 电流将被箝位到100% 的IOUT_NOM，如果CTRL 电压低于阈值0.3V 时，输出开关断开，无电流输出，LED 熄灭。注意：如前所述，标称平均电流与Rset 的大小有关。

图5

（3）续流二极管D1 的选择

续流二极管的选择也是非常重要的。为了获得最大的效率和性能，续流二极管应该是一个具有低反向泄漏电流的快速低电容肖特基二极管。由于正向电压较低，恢复时间缩短，它也比硅二极管提供了更好的效率。

重要的是要选择额定电流峰值高于线圈电流峰值，连续额定电流高于最大输出负载电流的器件。当工作在+85°C以上时，考虑二极管的反向泄漏电流非常重要。过多的漏电流会增加功率损耗。

由于硅二极管的反向恢复时间更长，正向电压更高。如果使用硅二极管，应特别小心，要确保出现在SW 引脚上的总电压，包括电源纹波，不会超过规定的最大值。

最终建议：如图4电路所示D1选用SS54肖特基二极管。

（4）电感L1 的选择

SW 引脚（7、8 引脚）连接的电感L1，是一个非常重要的外围元器件。电感推荐值在33μH～ 100μH 之间，尽量选用较高电感量的电感，以减少由于开关延迟导致的输出电流容限，减少纹波和提高效率。所选线圈的饱和电流应高于峰值输出电流，连续额定电流应高于所需的平均输出电流[1]。电感器应该安装在尽可能靠近设备的地方，用低电阻连接到SW 引脚。电感值的选择应使工作占空比和开关的开/关时间保持在电源电压和负载电流范围内的规定限制内。

这里L1 选用100μH 的电感，实践证明效果是比较好的。

（5）电路的软启动

AL8843 的默认软启动时间只有0.1ms，图4 中CTRL引脚到地添加了一个1μF 的外部电容C2，提供约1.5s 的软启动延迟。这是通过增加CTRL 电压上升到开启阈值的时间，以减缓控制电压在滞后比较器输入处的上升速率来实现的。附加软启动时间与CTRL 与GND 之间的电容有关，典型值为1.5ms/nF。

（6）LED 短路保护

如果LED 链被短接在一起（顶部LED 的阳极与底部LED 的阴极短路），AL8843 内部的开关还会继续工作，通过AL8843 内部开关的电流仍将处于预设的电流。所以在AL8843 内部不会产生过多的热量。然而，工作的占空比将发生显著变化，关闭时间显著增加，开关频率也会降低，导致电感电流衰减更慢，如图6 所示。这样就不会有过多的热量将产生在AL8843。

图6 LED 短路保护

图7 PCB 图

（7）开路保护

如果LED 变成开路，AL8843 将停止振荡；SET 引脚上升到VIN,SW 引脚下降到GND。

（8）过温保护

AL8843 包括过温保护(OTP)电路，如果它的结温度过高，将关闭设备。这是为了防止设备过热损坏。OTP 电路包括热滞后，一旦结温降低约+30°C，将导致设备重新开始正常运行。

■2.3 PCB 图设计

设计的PCВ 图如7 所示，在设计PCВ 图时要注意以下几点：

（1）SW 引脚（7,8 引脚）连接电感、续流二极管，连线应为最小长度以减少电磁干扰。

（2）EP 连接到地，用于芯片散热，以防止芯片发热；当封装的裸焊盘被焊接到 PCВ 后，热量能够迅速地从封装中散发出来，然后进入到 PCВ 中。之后，通过各 PCВ 层将热量散发出去，进入到周围的空气中。裸焊盘式封装一般可以传导约 80% 的热量，这些热通过封装底部进入到 PCВ。剩余 20% 的热通过器件导线和封装各个面散发出去。

（3）电源去耦电容C1 尽量靠近芯片，以减少寄生电感。去耦电容主要是去除高频信号的干扰，同时芯片附近的电容还有蓄能的作用。

（4）电感下面不要覆铜，在画PCВ 板时，电路中如果有大功率一体电感或是其他电感，而且有数字电路（也就是既有模拟又有数字信号，且数字和模拟都在同一块板子上），这种状况是不能敷铜的。敷铜后电感这个干扰源，产生的干扰信号会通过敷铜的地线把干扰传输到其他电路中。

（5）电源线尽量宽些，因为粗线电阻较小，电信号损耗较小。PCВ 线的粗细是根据该出需要走多少电流决定的，大电流用粗线。小电流用细线就可以了。本设计中电源输入和电流输出至LED 灯的电源导线为1mm 以上（含1mm）。

（6）符合基本的布线规则。如线距不能小于安全间距。

3 调试结果

根据以上电路图和PCВ 图制作出实际的恒流源电路，并进行测试，测试条件为输入电源电压为12V 直流电源，电流检测电阻为0.1Ω（R1 焊接，R2 不焊接），负载为并联的三组LED 链（一个LED 链由3 个LED 串联而成），测试结果如下：

（1）电流调节和调光

通过调光电位器调整输出电流从而控制发光强度，所得测试结果如图8 所示。

图8 控制电压与LED 电流之间关系

①输出电流稳定性好，调至任一电流值时，电流稳定不变具有很好的恒流特性。

②当调整电位器使CTRL 引脚低于0.4V 时流经LED 灯的电流为0，达到关灯效果。

通过调光电位器能控制输出电流由最小到最大，亮度从完全熄灭到最亮连续可调。

③最大输出电流为1A 符合设计预期要求。

（2）纹波测试

LED 灯板供电电压纹波测试结果如图9 所示，纹波小于5%。

图9 输出电压纹波

（3）电源效率达95%

台灯供电电压为 12V 时，3 个LED 串联时输出两端电压为9.9V，实测电源效率（LED 灯板消耗功率与供电电源输出功率之比）为95%。

（4）开路保护

当断开外接LED（相当于LED 开路）时，输出两端电压为0V，恒流源停止工作，开路保护能及时响应。

（5）短路保护

外接LED 两端进行短路，输出电流不变且AL8843 芯片不会升温。

4 结束语

使用恒流源驱动能够实现可靠、精准的控制和调节白光LED 发光强度。本文所设计白光LED 灯恒流源电路，通过实验调试，能够很好地输出电流预定设置值，具有输出电流稳定、电流连续可调、效率高、纹波小、开路保护、短路保护等特点，完全能满足LED 驱动的要求。