2024年6月10日发(作者：)

中国照明电器

　

6

CHINALIGHT&LIGHTING

　

2007

年第

9

期

一种节能型

LED

驱动电路的设计

黄建华　史斌宁　侯建国　何金伟

(

中山大学工学院　广州　

510275

)

摘　要

LED

发光强度由驱动电流决定

,

驱动电流稳定与否直接影响

LED

的发光强度

,

本文给出了一种

基于单片机数字控制的驱动电路的设计

,

经试验证明

,

该电路性能可靠。

关键词　白光

LED

　

PWM

控制　驱动电路

负载所需要的输出电压

,

因此采用

BUCK

电路。采用

开关电源供电

,

同样可以提供稳定的

15V

电压输入。

而且可以根据所驱动的白光

LED

的功率提供所需的

电压。

引言

在过去的一百多年里

,

作为人类文明象征的照明

技术有了飞速的发展。作为照明技术主体的光源经

历了三个重要的发展阶段

:

白炽灯、荧光灯和

HID

(

HighIntensityDischarge

)

灯。在提倡环保的今天

,

众

多的人认为二十一世纪的照明新光源应该是发光二

极管

LED

。

白光

LED

的发光特性有这样的特点

:

白光

LED

发光强度由驱动电流决定。当

LED

两端电压发生波

动时

,

流过发光二极管中的电流变化较大

,

而发光二

[1]

极管的发光强度等比驱动电流

,

因此驱动电流的好

坏直接影响

LED

的发光质量。本文采用单片机控制

一种恒流驱动方式

,

采用

3

颗

350mA

、

1W

的大功率白

光

LED

作为光源进行驱动试验

,

试验验证了该驱动

电路的高可靠性。

1

　主电路的设计

图

1

　主电路结构图

　

1

1

2

　采用均值控制方式

当白光

LED

恒流工作时的最大电流设计为

350mA

时

,

由于开关管的存在

,

其均值电流肯定是小

于

350mA,

不能充分发挥白光

LED

的最大亮度。根

据白光

LED

的发光特点

:

当均值电流为

350mA

时

,

其

可以承受的最大峰值电流会随着开关管导通时间的

降低而增加。如

:LED

承受

600mA

和

800mA

的电流

μ

s

和

0

1

01

μ

s

。所以当用

PWM

时导通时间分别是

0

1

1

的输出频率来控制峰值电流时

,

还要考虑不超过

LED

均值电流

350mA

的限制。由于白光

LED

的发光特

点

,

即使在峰值电流为

800mA

、均值电流为

350mA

时

,

其发光强度仍然比白光

LED

恒流工作在

350mA

[2]

时低。此结论在试验中得到了证实。因此我们采

用图

1

所示的结构

,

选择合适的电感以保证恒定的电

流

,

用

RS

来检测输出均值电流的大小

,

以满足

LED

对电流的限制。与此同时也增加了

MOSFET

的驱动

主电路的拓扑结构如图

1

所示

,

三个串联的大功

率白光

LED

作为

BUCK

型电路的输出负载

,

为了控制

流过

LED

的平均电流

,

增加了电流检测电阻

RS

。

1

1

1

　电源部分

供电电源采用铅酸蓄电池。铅酸蓄电池单体开

路电压为

2V,

当作为一种备用能源时

,

通常由

6

～

8

组串联组成

,

正常工作时输出电压为

12

～

16V

。

3

颗

大功率白光

LED

正常工作时所需要的电压为

10

1

2V

(

3

1

4V

×

3

)

,

而开关管的饱和导通压降仅为

0

1

3

～

Ω

×

0

1

4V

。检测电阻上的压降为

0

1

035V

(

0

1

10

1

35A

)

,

稳态时一个周期内的电感压降为零。输入电压高于

黄建华等

:

一种节能型

LED

驱动电路的设计　

7

电路设计难度。

1

1

3

　储能电感的设计

压为

10

1

2V

(

3

1

4V

×

3

)

,

肖特基二极管的导通压降为

0

1

3V,

所要控制的电流均值为

350mA,

而实际值在

340

在图

1

电路中

,

当

MOSFET

管导通时

,

电感电流

增加

,

开始储能

,LED

开始发光

,

续流二极管由于承受

反向电压关闭

,

等效电路如图

2

所示。当

MOSFET

关

断时

,

电感电流减少

,

开始释放能量

,

通过肖特基二极

管续流

,

等效电路如图

3

所示。当电路进入稳态工作

[3]

时

,

电感电流波形如图

4

所示。

～

360mA

之间波动。在

0-DT

时

,

电流为

i

1

;DT-T

时

,

电流为

i

2

。

占空比为

D

=

t

on

Π

T

。

则由公式

(

1

)

可得

:

15=0

1

4+

l

di

1

+10

1

2+0

1

1

i

1

dt

(

3

)

　　由公式

(

2

)

可得

:

0=

l

di

2

+10

1

2+0

1

3+0

1

1

i

2

dt

(

4

)

　　联立以上两个微分方程解得

:D=0

1

707

。如果控

制开关管的频率为

10kHz,

则

T=0

1

1ms

时

,

解得

:L=

15

1

43mH

。

图

2

　

MOSFET

导通时

LED

发光过程图

　

1

1

4

　

MOSFET

、肖特基二极管、采样电阻的选取

MOSFET

管所承受的最高电压为

16V,

考虑到其

扩展性

,

不妨将其最高电压控制在安全电压范围内

,

即

36V,

其电流为

0

1

35A

。考虑尖峰电流的冲击时

,

由

于电路中有平波电感

,

假设其最高电流为

0

1

5A

。开

关频率设定为

10kHz

。满足上述条件的开关管有很

多

,

我们选取了

IRF830

(

4

1

5A

Π

500V

)

。续流二极管承

受电源和电感的反向电压最高可达到

30V,

为了达到

图

3

　

MOSFET

断开时

LED

发光过程图

　

节能

,

我们选用低导通压降的

1N5819

肖特基二极管。

1

1

5

　控制电路的设计

主控制电路如图

5

所示。为了实现对

LED

亮度

的调节以及定时等功能。采用微处理器

MC68HC908Jk3

通过软件来实现所需要的各种功

[5]

能。采用软件控制方式有以下几个好处

:

(

1

)

增加了控制的灵活性

,

可以满足很多新的控

制要求

;

(

2

)

当需要控制的负载电路发生改变时

,

不需要

图

4

　稳态工作时电感电流波形图

修改硬件电路

,

只需修改软件部分

,

即可实现新条件

下的应用

;

(

3

)

在数字控制中

,

有一种应用十分广泛的控制

(

1

)

　

当

MOSFET

导通时

,

根据图

2

可得公式

(

1

)

:

V

i

=

V

mosfet

+

L

di

1

+

v

load

+

R

S

I

1

dt

方式———数字式

PID

控制。在本设计中

,

为了防止蓄

电池电压下降引起白光

LED

亮度的变化

,

对流过

LED

的电流进行了采样

,

然后由单片机实现

PID

控

　　当

MOSFET

断开时

,

根据图

3

可得

:

0=

L

di

2

+

v

load

+

V

schotty

+

R

S

I

2

dt

(

2

)

制

,

最后通过负反馈来实现对开关管的控制。

1

1

6

　

MOSFET

驱动电路的设计

假定输入电压为

15V,MOSFET

开关管的饱和导通压

降为

0

1

4V,

由三个

LED

组成的负载所需要的输出电

本设计的主电路采用

BUCK

主拓扑。

JK3

单片

机输出的

PWM

信号是数字信号

,

低电平为

0V,

高电

　

8

中国照明电器

2007

年第

9

期

平仅为

5V,

而且驱动电流有限。通常驱动

MOSFET

采用的是

12V

的电压。但是单片机的

PWM

是相对

单片机的地来讲的

,

所以必须设计浮地的

MOSFET

管

驱动。为此必须增加独立电源

VDD,

同时利用东芝

公司

TP250

实现光耦隔离驱动

,

试验原理图如图

6

所示。

[6]

图

5

　主控制电路图

　

图

6

　采用

TLP250

光耦隔离驱动

1

1

7

　电流采样反馈电路

　

图

7

　电流采样反馈电路

Ω

本设计的主

BUCK

电路负载电流由一个

100m

的小采样电阻取得

,

此信号经过放大、过滤后按照要

求送到单片机的

ADC

读入口。采样电流原理图如图

7

所示。

LED

的电流是

350mA,

则

RS

两端的电压为

0

1

035V,

　

放大

51

倍后为

1

1

785V

。

2

　试验电路波形图及其分析

流过

LED

的电流经过

RS

采样后

,

取出的电压信

号通过

RC

滤波后

,

送入放大器

LM358

的同向输入

端。放大

51

倍后

,

送至单片机读入口。如果流过

　　　

下面我们通过实验波形来检测实验是否达到了

预期的效果

:

改变蓄电池的供电电压

,

观察图

8

、图

9

、

图

10

所示的

PWM

输出波形以及采样得到的电流波

形

(

电流采样取自采样电阻的端电压

)

。

图

8

　系统工作在

10

1

4V

、

350mA

工作模式下的

PWM

波形和采样电流波形

　

黄建华等

:

一种节能型

LED

驱动电路的设计　

9

图

9

　系统工作在

13V

、

350mA

工作模式下的

PWM

波形和采样电流波形

　

图

10

　系统工作在

15V

、

350mA

工作模式下

PWM

和波形的采样电流波形

　

　　由图

8

、

9

、

10

可知

,

当供电电压逐渐增高时

,JK3

单片机输出的

PWM

控制信号的脉冲宽度逐渐变窄

,

而采样电阻上得到的电流信号的波动幅度增加。当

开关管导通时间变短后

,

要想保持流过

LED

的均值

电流无变化

,

只有增加峰值电流量

,

而峰值电流的大

小和前面设计的储能电感有关。虽然采样电流信号

波动会随着电压增大而增大

,

但是均值电流是基本不

变的。目视观察亮度也无明显变化。但是当供电电

压降低到

10

1

4V

时

,

亮度有了明显的降低

,

而且从波

形可以看出

,PWM

到了最大宽度

,

采样电流的波形已

经趋于基本无明显波动

,

而均值电流值却出现了明显

下降。此时的供电电压已经无法满足

3

个

LED

同时

工作在

350mA

的最低电压要求。换言之

,

当供电电

压过低时

,

无法保证负载电流达到设定值

,PWM

只有

展开到最大宽度值

,

此时开关管几乎处于完全开通状

态

,

故流过负载的电流接近于恒流。

3

　结束语

实验结果和预期是完全一致的。当蓄电池电压

值降低时

,

流过

LED

的电流也会跟着降低

,

当单片机

检测到电流值低于给定电流值时

,

即目前的

PWM

输

出脉冲的宽度无法满足要求

,

就会自动调节使输出脉

冲变宽

,

从而使得开关管的导通时间增加

,

以保证流

过

LED

的电流不变。

参考文献

[1]

　潘英俊

,

邹建

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光电子技术

.

重庆

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重庆大学出版社

,34.

[2]

　侯建国

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与照明

,2006.

[3]

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王兆安

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机械工业出版

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(

本文编辑　王立洪

)