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大功率LED驱动的研究及设计

供稿:中国工控网 2016/3/17 14:23:51

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  • 关键词: 大功率LED LED驱动
  • 摘要:本文针对大功率LED驱动技术进行了深入的研究。阐述了研究大功率LED驱动的必要性及目的。详细地介绍了LED驱动方式的原理及性能,提出了自己的设计方案,即以美国的Supertex公司生产的HV9910B芯片为核心的大功率LED驱动控制设计方案。

   在当今这个能源短缺的时代,如何能够更好地节能,是科研工作要实现的主要目标。众所周知,LED在照明领域对比其它照明技术具有高效节能的特点。

  摘要:在当今这个能源短缺的时代,如何能够更好地节能,是科研工作要实现的主要目标。众所周知,LED在照明领域对比其它照明技术具有高效节能的特点。随着LED照明技术的不断发展,LED已经从普通的LED逐渐向大功率LED发展了。这将促进LED照明技术进入人们的日常照明中,也加速了LED取代其它照明产品的进程。但是,目前大功率LED要推广到日常照明领域,还受到了LED驱动技术的限制。

  本文针对大功率LED驱动技术进行了深入的研究。阐述了研究大功率LED驱动的必要性及目的。详细地介绍了LED驱动方式的原理及性能,提出了自己的设计方案,即以美国的Supertex公司生产的HV9910B芯片为核心的大功率LED驱动控制设计方案。对于这个方案的电路设计主要包括两部分:电源前级整流滤波电路和芯片外围的驱动电路的设计,详细地针对它们的原理进行分析,并对驱动设计中所涉及的各个关键元器件进行参数配置,同时又对本文设计的大功率LED驱动的性能进行了分析,最终完成了对大功率LED驱动的设计。

1引言

  随着科学技术的发展,人类照明从光火照明、白炽灯照明、荧光灯照明,一直到现在半导体固体照明的出现,照明技术有了较大的发展。其实,照明技术的发展,就是人类一直提高照明效率的过程。因为火光的光谱大部分位于可见光光谱范围之外,另外它燃烧所产生的能量大约90%均转化成了热能,所以光火照明的效率非常低,此外化学燃料的燃烧大多会产生对环境有污染的气体,因此人们便开始寻找和开发发光效率更高的照明器件。作为最新兴起的第四代照明技术,半导体固体照明技术被认为是继荧光灯照明之后,人类照明史上的又一次历史性飞越。半导体技术的逐步完善也是经历了较长的一段时间。

  随着LED技术的发展,LED已经从最初应用于数码手表、指示灯以及计算器显示屏等对亮度要求不高的场合,到现在已经被应用与超亮度的大功率LED日常照明领域。伴随着LED效率的不断提高、加工成本的不断下降,大功率LED的产生使LED向普通照明领域扩展。大功率LED即功率大于1W的LED,与传统的白炽灯、荧光灯相比,有如下优点:(1)节能;(2)光色纯;(3)寿命长;(4)可靠、耐用;(5)应用灵活;(6)响应快;(7)控制灵活

  作为一个新兴的技术领域,大功率LED与传统照明光源相比虽然有很多优势,但是要真正实现用大功率LED代替传统光源,还存在着很多需要解决的技术难题。由于LED的伏安特性及温度特性,使得大功率LED需要直流的低电压驱动,所以传统上钨丝灯泡、日光灯、节能灯、钠灯等光源的驱动并不适合直接驱动大功率LED,因此需要专门为大功率LED设计合适的驱动。通常大功率LED的亮度与通过它的电流成正比,但是它在大电流下会出现饱和的现象,发光效率会出现大幅度地降低,甚至失效。因此大功率LED使用电流不能超过它的额定值。另外,LED亮度输出与温度成反比,所以使用中应尽量减少发热和设计良好的散热系统。此外现在普遍使用的白炽灯、荧光灯和高强度放电灯的成本都比较低,大功率LED只有大幅降低自身的生产成本才有可能取代这些传统光源,而大功率LED的生产成本主要取决于芯片本身以及驱动电源的价值。

  综上所述,在大功率LED逐步成为新一代光源的同时,LED驱动的品质将直接制约大功率LED的产品可靠性,同时也将决定着大功率LED在实际应用中能否长寿高效。为了实现真正意义上的半导体照明,根据市场需求,设计出性能优良的大功率LED驱动电路,是具有很大的经济价值和实用意义的。

2大功率LED驱动分析

  随着大功率LED技术的逐渐提高,LED的应用变得越来越广泛。但是目前在大功率LED的应用过程中,对LED驱动技术也提出了很高的要求。本章针对目前上市场的主流大功率LED驱动方案进行了比较性分析。主要的驱动方案包括线性驱动、开关型驱动以及恒流驱动三种。

  线性驱动的优点是电路设计简单,成本较低,需要的元器件数目比较少,但是,它的能量转化率低,不能很好的实现节能的目的,散热量很大,电压易出现波动,这使得LED的亮度会出现不稳定的现象。这就使这种线性驱动方式不适合日常照明的应用。

  开关型驱动通过利用开关管的导通与截止的占空比来控制输出电压,因此具有极高的能量转化效率,在实际应用中可以达到80%以上。另外,与线性驱动相比,开关型驱动在电压的稳定性、工作效率、电路体积等方面都有比较显著的改善,而且具有相对较低的成本,此外,它还具有降压式、升压式以及降压-升压式三种结构,应用比较灵活。但是,这种开关型驱动在驱动LED的工作原理上和线性驱动方式是一样的,因此同样不符合LED的非线性伏—安特性的要求,所以仍然存在大功率LED串联并联发光亮度不一致和发光亮度不稳定的问题。

  恒流源驱动电路由于采用了恒流控制芯片,具有电流控制精度高、结构比较简单、较高的可靠性等优点。但是,它同时也存在着一些的不足:首先,由于恒流源驱动要求电源电压和电路中的大功率LED负载的个数以及工作电压要做到严格匹配,不允许出现大范围的改变,所以可知恒流源驱动对于电源的电压和大功率LED负载变化的适应能力较差。此外,由于电路中采用了集成的恒流控制芯片大多在工作中消耗很多功率,因此它的发热量也就比较大,尤其是当芯片的工作电压差别过大时,发热现象就很严重了,以至于要额外加散热器,这就增加了功率损耗,降低了效率。

  基于以上比较分析,本文采用市场上集成的恒流控制芯片,这使大功率LED恒流源驱动的方案常采用的是驱动的前端采用开关电源来稳压输出,后端再利用恒流控制芯片进行恒流设计。利用线性恒流芯片驱动电路是恒流源驱动中最简单、最直接的驱动方式。

  线性恒流芯片的核心是利用集成在芯片中的功率三极管工作在线性区,可以作为可变电阻来控制负载,使流经大功率LED的电流维持在一个比较稳定的值。

  本文所选用的线性恒流源驱动是采用数能科技公司生产的NU511集成驱动芯片。NU511是一款单通道漏极开路的LED线性恒流驱动芯片,最高驱动电流可达1.2A,最大支持1MHZ的PWM调光控制。NU511可以被用于0.5W到3W的大功率LED驱动。在大功率LED的照明应用中,NU511电压范围比较宽的特性,可以使它在不确定的供电系统中稳定地工作。当电源的电压出现波动时,NU511输出的电流仍然可以保持恒定,也就使整个LED照明电路的电流保持不变,也就达到了恒流的目的。

  如图1所示,采用NU511的线性恒流源驱动的外围电路只用三个器件就可以,包括串联电阻Rs、电流调节电阻Rf和抗干扰消振电容C。根据NU511电流的设定值和外接电阻的关系,照明系统中所要求的恒流值I可以根据电流调节电阻RF的值来确定,如式(1)所示:

图1NU511恒流驱动电路

  在电流值已经确定了的情况下,NU511的输出电压会随着电源电压的增大而增大,因此NU511芯片消耗的功率将会增大,产生的热量也会增多。为了减少NU511的功耗,增加驱动电路的效率,就须要降低输出电压。为了解决这个问题,我们在电路中添加了一个功率电阻Rs来分担NU511芯片的功耗,减少芯片产生的热量。另外,为了减少在负载上的电压出现波动,我们选择了适当的电容C来提高系统的效率。

  此外,对于市电驱动来说,还需要在前级加入开关电源电路,给恒流控制芯片提供电源。

  由上面的分析我们可以看出来基于线性恒流芯片的驱动电路结构比较简单、所用的元器件少、成本也比较低,另外由于采用了恒流控制芯片,这种恒流源驱动方式具有控制精度高、可靠性高等优点。

3大功率LED驱动控制设计方案

  本文综合前几章对大功率LED驱动各个方面的分析,设计了一款基于降压变换器的LED控制电路。为了减少大功率LED电压和输入电压的波动对于大功率LED电流的影响,本文对于峰值电流控制的降压变换器采取了反馈控制,并且选用合理的降压变换器,使它的效率可以达到90%。

3.1驱动控制器HV9910B介绍

  为了更好地推广LED的应用,各个公司对于LED驱动的进行了各种产品设计。美国的Supertex公司是LED是目前推出最多的高压LED恒流直驱IC企业之一,首先在2005年推出了HV9921/22/23系列,它可以驱动市电供电的小功率LED,HV9921/22/23系列的驱动电流在20~50mA的范围内。随着大功率LED的产生,HV9921/22/23系列已经不能满足驱动的需要,因此Supertex公司又开发出了大功率LED驱动控制器HV9910,它可以用于市电供电,并且可以输出1A的恒定驱动电流。之后又在2007年推出了HV9910B型号的驱动控制器,即HV9910的改进型。它的产生对于大功率LED的推广应用起到了积极地推动作用。下面我们将详细地介绍一下HV9910B芯片。

  Supertex公司设计的HV9910B芯片是一种通用的LED驱动控制器。它可以应用在DC/DC或AC/DC的大功率LED驱动器、恒流源、RGB背光LED驱动、平板显示器背光驱动、充电器以及LED装饰灯或者信号灯。

  HV9910B芯片既可以给市电交流供电,也可以用于12~24V或者48V的太阳能电池或直流蓄电池供电;HV9910B输入的直流电压范围是8~450V,范围极宽;它输出的恒流驱动电流可以从几十毫安到一安以上,也具有极宽的范围,这使得它既可以驱动驱动大功率LED,也可以驱动小功率LED,驱动数量可以达到上百个LED,输出的功率也可以从几到几十瓦;另外它的应用很灵活,不但可以组成降压式架构,也可以组成升/降压式结构,这样就能满足各种不同的需求。

  HV9910B芯片可以通过软件编程实现关断时间模式或者恒定电源模式,属于LED开环电流控制驱动集成芯片。HV9910B芯片内包含一个线性稳压器,可以将输入电压调节为7.5V,实现芯片的内部供电,而它所能承受的输入电压可以低至8V高至450V,使它能够在不需要额外的低压电源。此外,HV9910B不需要任何附加电路就可以直接驱动外部MOSFET。

  另外HV9910B很容易实现PWM调光能够允许占空比从0到100%,频率可达几千赫兹,也可以实现零到250毫伏的线性调光,它的内部结构图如图2所示。其中:

图2HV9910B的电路原理图

VIN是工作电压的输入端;

GND是接地端;

VDD是内部7.5V稳压电源输出端,需要连接一个低等效阻抗的电容在它和接地端之间,通常这个电容要大于0.1微法;

LD是调光输入端,用来调整LED的亮度;

GATE与MOSFET开关的栅极相连;

  PWM_D是PWM调光的使能端,也是输入端,当PWM_D上加载低电平时,MOSFET关断,没有输出,而当PWM_D上加载高电平时,GATE输出高电平,MOSFET导通;

CS是检测端,外接电流采样电阻RCS;

  Rosc是用来设置振荡频率的,外接工作频率设定电阻Rosc,当工作在关断时间恒定的模式下,Rosc的另一端与GATE相连,当工作在频率恒定的模式下,Rosc另一端与地相连[37]。

  由图2可以看出,HV9910B具有两个电流采样阀值电压,一个是LD引脚的外部电压,另一个是的250mV内部电压。在实际应用中,我们通常选择这两个电压中比较低的一个,因为较低的采样电压意味着检测电流的电阻也就相应的变小,这样效率就会变得更高。由分析可知,Supertex公司的HV9910B芯片是一款专门用于LED驱动设计的集成芯片,使用它可以设计出一个更加高效、简单的大功率LED驱动。

3.2硬件电路设计方案

  本文设计以HV9910B芯片为核心的大功率LED驱动控制系统,主要由EMI滤波、整流滤波电路、HV9910B芯片及其外部电路组成,系统框图如图3所示。图中,电源经过整流滤波变为稳定的直流电压,提供给大功率LED;再配合HV9910B芯片,实现整个驱动过程。

图3基本电路框图

  输入级电路由全桥整流电路、热敏电阻和一个滤波电容组成的。它的功能主要是完成对220V交流电的整流滤波。控制电路部分是以HV9910B芯片为核心,电路的输入电压是由经过输入级电路滤波后的电压提供给芯片的,具体电路图如图4所示。为了保证VDD、PWM_D和LD引脚电压的稳定,须要把各个引脚通过电容接地。控制开关管的开关信号是由GATE引脚产生的一定频率的方波脉冲信号提供的,而它的脉冲宽度是CS引脚接的采样电阻Rcs反馈的大功率LED电流信号决定的,Rosc引脚所接的电阻决定了脉冲的频率。电路中的电感L为驱动电路提供储能、滤波以及持续的供电,使负载中的电流保持均衡性。电感L对于电路是起着十分关键的作用的。

图4电路原理图

  整个供电过程基本上是这样的:当开关信号处于关断状态的半个周期时,电路是由输入二极管、充电后的电感L以及大功率LED所组成的回路供电的;当开关信号处于开通状态的半个周期时,电路则是由前级滤波电路向大功率LED负载直接供电的。通过这种方式,我们就可以实现在一个周期内提供给大功率LED的持续驱动。

3.3整流滤波电路设计

  本文的整流电路是由滤波器和桥式整流电路组成的。其中,滤波器主要是由热敏电阻和两个电容构成,热敏电阻主要是用来限制浪涌电流的,而电解电容是用来稳压的,另外一个镀金属聚丙烯电容则是辅助电解电容吸收高频波纹电流的。

  本文采用了桥式整流电路作为整流电路的核心部分,利用二极管的单向导通性,将交流电转化为直流电。这种桥式整流电路是在全波整流电路的基础上产生的。全波整流电路具有很高的整流效率,但是它也存在着缺点。全波整流电路要求每个整流二极管承受的最大反向电压很高,这就对二极管本身的性能有了很高的要求。

  而桥式整流电路通过增加两个二极管,使电路不但具有很高的整流效率,而还对比全波整流电路降低了对整流二极管的要求,桥式整流的具体电路图如5所示。

图5桥式整流电路

  桥式整流电路采用四个二极管两两对接的方式。当输入为正弦波的正半周期时,整流二极管VD2和VD4上加载的是反向电压,所以VD2和VD4处于截止状态,而VD1和VD3上加载的是正向的电压,所以VD1和VD3导通,在输出端可以得到正向输出;同理当输入为正弦波的负半周期时,整流二极管VD1和VD3上加载的是反向电压,所以VD1和VD3处于截止状态,而整流二极管VD2和VD4上加载的是正向的电压,所以VD2和VD4导通,在输出端可以得到与正弦波负半周期反向的电压,也就是正向电压。

  由以上分析可以得到,重复这两个过程后,得到的都是正弦波的正向部分。根据上述过程,可以得出桥式整流电路中的整流二极管承受的电压值是全波整流电路的二分之一。

4电路参数设计

  在确定好整个电路的设计方案后,就要对整个电路中的不同元器件的参数进行设定,这对电路设计能否实现既定要求是起着决定性作用的。

  首先,我们要根据HV9910B的芯片手册确定电路的开关频率fs,因为电路工作的开关频率决定了电感L的大小,开关频率越高则电感的尺寸越小,反之,开关频率越低则电感的尺寸越大。而电感越大电路中开关的损耗也将随之增大。面对这种矛盾,本文采取折中手段,选择开关频率fs为80kHz。根据芯片手册可以得出,在开关频率为80kHz时,电阻Rosc的值应为470kΩ。

  接下来要对输入二极管D进行选择。二极管的选择主要是针对它的额定电压值和额定电流值进行考虑,而二极管的额定电压值是由输入到二极管的最大电压值决定的。通常对于二极管的选择是以50%作为安全裕量来考虑的,乘以1.5,由此可知:

(2)

  二极管的额定电流值则主要由HV9910B输出的最大平均电流决定的,指的是最小输入电压和最大输出功率时的电流。最小输入电压Vdcmin一定要大于大功率LED两端电压的一半,因为只有这样才能保证系统的稳定。因此,

(3)

(4)

 由上式可知,需要选择额定电压为600V,额定电流为1A的二极管。

电路图中的热敏电阻是用来限制浪涌电流的,因此在交流电处于峰值时,热敏电阻要限制的电流要高于5倍的稳态电流,这样我们可以根据下式计算出热敏电阻在常温25℃的值。

(5)

  在实际应用中,可以选择120Ω额定电流为1A的热敏电阻就可以达到使用要求。

在电路图中,全桥整流电路输出端所接的电容C1应该按照下式计算:

(6)

即,而根据电容的额定电压要大于输入电压的峰值可知,

(7)

  因此,电容C1可以选用33μF的额定电压为450伏的电解电容。电解电容具有很好的稳压效果,但是它的等效串联电阻比较大,所以再在电解电容C1两端并联一个镀金属聚丙烯电容C2,更好地吸收高频电流。它的电容值可以根据下式计算:

(8)

  即镀金属聚丙烯电容C2为0.33μF,额定电压为400V,它可以使电路板上的高频环流出现的范围变小。

  当场效管的栅极用高频脉冲充电时,C3起到了维持芯片内部电源电压稳定的作用。本文选取2.2μF,额定电压为16V的电容作为C3。栅极的电流是随着开关频率的改变而改变的。在开关过程中,为了使芯片内部的压降不会出现欠压退出,输入电源引脚的电压要设置的高一些。

采样电阻R的值应该按照下式计算:

(9)

U为内部的阀值电压,等于0.25V或者用LD引脚的电压值来计算,得出的值为0.625Ω。

电感L在开关关断期间为大功率LED提供能量,根据公式可知,,其中dt是关断时间,也就说,而di是波纹电流,令总波纹为30%,则di等于IomaxX0.3,也就是说:

(10)

由此可知,L应该选用4.7mH的电感。上面已经提到,电感的增大,将会增加开关的损耗。

  对于开关管的选取,本文是靠开关管的峰值电压和电流的最大有效值选取的。而开关管的额定电压值是由输入电压的最大值决定的。通常是以50%作为安全裕量来考虑的,因此乘以1.5,经计算可知VFET为562V。而开关管的电流的最大有效值是由最大占空比决定的,本文中的为50%。通常开关管的额定电流是电流额定值的三倍,而电流额定值为0.247A,所以最终选择的开关管是额定电流为1A,额定电压为600V的型号为STD2NM60的场效应管。它在占空比为50%的情况下产生极少的损耗,大约是171mW。

5电路性能分析

  在本文所设计的大功率LED驱动控制系统中,采用了一个外部开关和电感来减小LED驱动器的损耗。电路中的具体功率损耗主要由开采样电阻、开关管、二极管、与大功率LED相连的电感L以及芯片HV9910B本身产生的。而根据元器件的参数可知,它们在电路中所消耗的功率是比较小的。这使得整个电路的工作效率比较高,大约可以达到85%以上。

  另外,在驱动原理上,本文电路的设计采用了峰值电流模式PWM控制技术,即PWM开关电路的原理上,设计出了以美国的Supertex公司生产的HV9910B集成芯片为核心的PWM方式开关电路,这种方式可以很好地完成对大功率LED的照明驱动。通过深入地分析可以得出,这种电路的工作电压范围宽、转换效率比较高、能够保证恒流输出。通过对电路进行滤波,电路的输出电流变得更加平稳,也就是说电流的纹波变得比较小,更利于LED能够正常发光。

  通过电路分析可知,本文设计的大功率LED驱动控制方案符合大功率LED的伏安特性曲线,即非线性特性,这就减少了电压的波动对电流造成的影响,也就解决了串联的大功率LED在发光过程中亮度不稳定的问题。此外由于系统只需要比较少的元器件数量,就可以实现驱动的目的,所以降低了整个驱动系统的成本和设计的复杂程度,进而也提高了使用中的可靠性。

  综上所述,这种以集成芯片HV9910为核心的大功率LED驱动设计方案在能量的损耗、设计成本、设计的复杂度以及电流精度控制等方面都有了比较显著的改善。

6结论

  大功率LED作为一种新型的节能照明技术,对于照明领域未来的发展起了积极地推动作用。在大功率LED推广过程中,LED的驱动技术限制了它在市电输入的日常照明领域的应用。设计了一款市电输入的大功率LED驱动。设计的驱动主要以美国的Supertex公司生产的HV9910B芯片为核心,前端电源输入设计采用了全桥整流电路,与HV9910B合作为大功率LED提供了稳定的电源驱动。为了实现高性能的驱动,本课题对驱动设计中所涉及的各个关键元器件进行参数配置,同时又对本文设计的大功率LED驱动的性能进行了分析,实现了大功率LED驱动的设计。

  应用Supertex公司生产的HV9910B芯片设计出一款性能良好的大功率LED驱动,为今后大功率LED逐步取代现有的照明技术提供了良好的技术支持。

参考文献

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[4]王雅芳.大功率LED照明电路特性与驱动设计.水利科技.2008,3.

[6]姜春玲,封百涛.一种大功率LED驱动电路的设计与研究[C].2010全国照明LED驱动与电源技术研讨会.2010:114-115.

审核编辑(赵若明)
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