白光LED驱动电路的设计与实现

摘要 通过对LED电气特性分析，根据其工作特点设计了一种以HV9910B为核心的市电一体成型电感器供电PWM工作模式高效白光LED驱动电路。通过理论计算和实验测量，确定了电路的工作频率，测试结果表明，该驱动电路工作电压范围宽、恒流输出，转换效率超过85％。
关键词 LED；恒流驱动；开关电源

随着LED的迅速发展。现在白光LED光源相比的传统光源具有寿命长、固体照明不易损坏、高光效、无汞环保、抗震等优点，未来将成为第三代光源，将带来照明领域的又一次革命。将LED使用到照明领域，需要适合LED的驱动电源，文中利用PWM开关控制方式设计实现了一种白光LED的大功率驱动一体成型电感器电路。

1 LED电气特性和驱动要求
1．1 LED的电学特性
白光LED的I-V特性与普通二极管类似，只是开启电压不同，不同材料制备的LED开启电压一般在1．5～3．0 V之间。处于正向工作区时，工作电流IF与外加电压呈指数关系

式中，Is为反向饱和电流；VF为二极管两端的外加电压；q为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为热力学温度。LED可长期稳定工作时的直流电流，称为额定工作电流，此时LED压降称为额定电压。1 W的白光LED，其额定工作电流350 mA，额定电压3．3 V。允许加在LED两端正向电压与流经LED电流之积的电感公式最大值为其极限功耗，当实际功耗超过该值时，LED发光特性变差，严重时会使LED产生结构破坏。
1．2 LED驱动要求
由LED的I-V特性可知，当加在LED两端的电压稍有波动，都会引起电流的剧烈变化，此时很容易使电流过大，输入功率超过其极限功耗，从而对LED造成不可恢复的损坏。当LED工作电流值不同时，其发光强度也不同，若采用恒压驱动，则LED阵列应采用并联方式连接，但是由于LED个体之间的参数误差，会导致各支路的电流不同，致使阵列发光强度不均匀，因此LED的驱动电路一般选择恒流驱动模式，相应的LED阵列亦采用串联方式连接，驱动电流一般设为LED额定电流的70％～85％，以保护LED，达到延长使用寿命的目的，同时也使每个LED的发光强度均匀一致。
LED驱动电路设计中，需要考虑以下几个基本指标：
(1)提高驱动电路的转换效率，减小电路中的功耗。(2)提高电路的可靠性，能够耐高压，具有过流检测功能。(3)电路尽量精简，有较小的电路体积和较低的制造成本。

2 PWM方式开关电路设计
2．1 PWM原理
PWM即脉冲宽度调制，利用脉冲控制开关电路的开关时间，可以控制电路输出的平均电压或电流从而达到控制电路的输出功率。PWM开关稳压或恒流的基
本工作原理是在输入电压、系统参数及外接负载发生变化的情况下，在固定工作频率下控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定。由于控制器件功耗小，工作在开关状态中的电路效率高，所以电源效率一般可以做到80％～90％。该类电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。PWM开关电路由4部分组成，即输入整流滤波、PWM控制、开关器件和输出滤波。根据PWM方式开关电路设计的LED驱动电路框图如图1所示。

常见PWM开关控制信号产生部分大都实现了集成化，更加精简PWM开关电源的设计，下面介绍利用芯片HV9910B设计适用于大功率LED的典型PWM方式开关驱动电路。
2．2 电路设计
HV9910B是一种通用LED驱动控制器，它的适应性强，即可使用国际通用的市电供电，也可以用蓄电池或者太阳能供电，而且能够接受范围较宽的输入电压。输出的恒流驱动电流范围极宽，从几十mA到1 A以上。使用HV9910B搭建的驱动器使用器件较少，电路简单，生产成本也会降低。由HV9910B设计的LED恒流驱动电路如图2所示，输入为AC 220 V的市电，负载为10只功率为1 W的LED串联组成阵列。

电路输入级由全波整流桥和一个滤波电容组成，完成对交流电的整流滤波。控制级由HV9910B芯片搭建，经输入级滤波后的电压输入到芯片的Vin，作为电路的输入电压VI，其峰值是310 V，均值为190 V。VDD、LD、PWMD端通过电容器接GND端，以维持相应引脚的片内电压。由GATE端输出频率一定的方波脉冲信号作为开关信号控制开关管，其频率由RT端所接的电阻设定，脉冲宽度由CS端采样电阻RCS反馈的LED电流信号控制。电感L1电路中起着至关重要的作用，为驱动电路提供滤波和储能以及续流供电，以保持负载中电流的均衡性，恢复二极管完成构建续流通路的作用。在开关信号开通半周内，由前级滤波后的电势向LED负载直接供贴片电感电，并给L1充电；在开关信号关断半周内，由充满能量的L1给快恢复二极管、LED组成的回路供能，实现在一个周期内完成对LED的持续驱动。

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