详解大功率LED 恒流驱动的设计原理

　0 引言

　　光伏发电行业作为一种新兴行业，其发展具有突飞猛进的趋势。光伏照明是光伏产业中的支柱产业。由于光伏电池所发出来的电如果不经过一次变换的话是直流电，因此，LED 光源作为一种直流电光源，尤其适合光伏照明产业。但是，LED 的高效节能的优点要想保证的话，其驱动具有尤为重要的作用。本文对大功率LED 和小功率LED 适合的驱动进行了比较研究。并且提出一种基于PT4115的高效率的大功率LED 恒流驱动解决方案。该种驱动电路简单、高效、成本低，适合当今太阳能产品的市场化发展。

　　1 LED 工作特性

　　LED 具有对电压敏感的特性，当LED 两端电压超过其导通电压后。可近似的认为其正向电压VF和正向电流IF 成比例关系。因此，电压的变化会引起电流的变化。

　　

　　图1 　LED 的VF 和IF 特性曲线线

　　从图1 可以看出电压的微小变化会引起电流的极大变化。由此，可以得出对于LED 应该采用恒流驱动，防止流过LED 电流的极大波动，影响LED 的使用寿命。因此，不管是交流恒流驱动还是直流恒流驱动，其输出端LED 两端电压的峰峰值最好控制电流在几十毫安。

　　2 LED 常用驱动技术比较研究

　　2. 1 电阻镇流驱动

　　

　　图2 采用镇流电阻驱动的原理图

　　从图2 中可见，采用电阻镇流的驱动方式就是在LED 灯串上串联上镇流电阻。通过镇流电阻降低在LED 灯串上的电压，防止LED 过压被击穿。镇流电阻的驱动方式实际上就是通常所说的恒压驱动方式。该种驱动方式虽然简单，但是在镇流电阻上会有损耗，并且，损耗会随输入电压的增大而增大。因此，该种技术作为最早的驱动技术，已经随着技术的发展，逐渐被取代。

　　2. 2 PWM恒压驱动方式

　　众所周之，PWM驱动方式本身具有驱动效率高的优点。因此，采用PWM 恒压驱动方式具有效率高，驱动电路简单的优势。但是，镇流电阻这种恒驱动方式，已经不适合当今光伏照明的简洁、高效的趋势。因此，PWM恒压IC 随之出现。

　　

　　图3 恒压驱动原理

　　对于采用恒压驱动（见图3） ，因输出到LED 负载两端的压降不变，如果其中一路的某颗LED 发生短路故障，则这个输出的恒压压降将全部降在其它LED 两端，则剩余的每颗LED 承受的电压可能超过电压额定值，而将其烧毁。

　　LED 因其VF 值特性原因做不到相同，随着温度及电流大小也有些VF 值也会发生变化，一般不适合并联设计。但是有些情况又不得不并联解决多颗LED 驱动成本问题，就像小功率LED 如果每一路采用一个恒流源会大大增加驱动成本，因此，就必须采用多组LED 灯串并联，而采用恒压驱动的方式进行驱动。

　　因此， 即使采用恒压驱动的方式， 也要选择PWM恒压驱动IC ，提高驱动效率。

　　迫于小功率LED 要想实现和大功率相同的照度，所需数量大，如果每路驱动使用一个恒流驱动，将大大增加驱动成本，鉴于此问题，小功率LED 适合采用恒压驱动方式。

　　2. 3 恒流驱动技术

　　对于恒流驱动实际上很大程度上是结合PWM恒压驱动高效率的特点，对其进行改造以最简单的方法实现恒流。

　　对于PWM恒压IC 内置一个基准电压，通过采样反馈端FB 端电压和内置电压比较，以控制PWM输出占空比，以实现恒压驱动。

　　要进行恒流控制就要在斩波输出端串联一个小电阻，采样其对地电压，然后对其进行放大并反馈到恒压控制端，以进行恒流控制。由于采样电阻串联在输出回路里，要降低落在电阻上的功耗，就要尽量减小电阻的阻值，通常选0. 1 Ω电阻。

　　采用恒流驱动，必须每一路LED 灯串有一个恒流源驱动。当灯串中单颗LED 发生短路故障时，由于输出电流不变，因此，并不影响其它LED 的光效，采用恒流驱动能大大提高LED 的使用寿命。

　　3 基于PT4115 的恒流驱动技术

　　3. 1 PT4115 芯片简介

　　1） 极少的外部原件

　　2） 很宽的电压输入范围：从8 V 到30 V

　　3） 最大输出1. 2 A 电流

　　4） 复用DIM 引脚进行LED 开关、模拟调光、PWM调光

　　5） 5 %的输出电流精度

　　6） LED 开路保护

　　7） 高达97 %的效率

　　8） 输出可调的恒流控制方法

　　9） 内部含有抖频特性，极大的改善EMI

　　3. 2 典型应用电路

　　

　　图4 PT4114 典型应用电路

　　对于PT4115 （见图4） 即可以应用于12~18 V 的交流，也可应用在8 V~30 V 的直流。因此，应用范围更加广泛。并且，驱动电路简单，所需元器件均价格低廉。适合批量、市场化。

　　3. 3 PT4115 恒流原理

　　保持采样端（CSN） 输入电压值为IC 内部设定值相对于VIN 电压值不变即可实现恒流。因为：

　　

　　式中：

　　ILED ---流过L ED 的电流；

　　VCSN ---电压检测端电压；

　　RS ---电流采样电阻。

　　从式（1） 可见，只要保证采样端电压相对于输入端电压不变，就能使流过LED 的电流恒定。

　3. 4 PT4115 调光措施

　　PT4115 采用PWM 调光措施，当DIM 引脚电压低于0. 3 V 时关断LED 电流，高于2. 5 V 时开启LED 电流。

　　PWM调光措施相对于传统的线性调光，不影响LED 的光效。PWM 调光的基本原理是保持LED 正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，即控制每个周期电流导通的时间。PWM 调光的优势是LED 正向导通的电流一直是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光一样会变化。PWM调光可以在精确控制LED 的亮度的同时，也保证LED 发光的色度。

　　线性调光是通过改变流过LED 的电流来调整光效的，流过LED 的电流的变化必然会影响LED 的色度。

　　因此，PWM调光相对传统的线性调光具有很大的进步。

　　3. 5 PT4115 频抖改善EMI 的原理

　　频率抖动技术（Frequency Jitter） 是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI 问题的新方法。频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄带变为宽带的方式来降低EMI ，来减小电磁干扰的方法。

　　频率抖动技术通过扩展电源噪声频谱的方式降低了窄带EMI.对于可以抖动多少的振荡器频（fs） ，存在一些局限性。其中一些局限因素是开关损耗和磁路设计。为了将升压电感尽可能的保持较小，并将开关损耗保持在可控范围内，频率抖动应不超过基本频率的20 %至30 %.

　　3. 6 PT4115 的动态温度调节和过温保护

　　对于PT4115 具有动态温度调节的功能，并且，可以在此功能的基础上实现过温保护。

　　3. 6. 1 动态温度调节。

　　

　　图5 动态温度调节原理图

　　从图5 中可见，DIM 端内部是一个1MΩ 的上拉电阻，连接到内部5V 电源上。DIM 端电压由内部上拉电阻和热敏电阻NTC 分压决定。从热敏电阻的特性可以知道，温度的变化会影响NTC 的阻值，进而影响DIM端电压，以实现PT4115 的动态温度调节。

　　3. 6. 2 过温保护的实现。

　　从图6 中可见，相对于图5 多了一个三极管，当温度升高时，NTC 电阻的阻值减小，其上的分压也减小，则相应的其下面电阻上的分压升高，当超过三极管的开通电压时， 三极管导通，DIM 端接地， 关断LED电流， 当温度降低时， IC 重启， 因此， 实现了PT4115 的过温保护。

　　

　　图6 　过温保护的实现原理图

　　3. 7 PT4115 工程应用中的经验

　　1） 电感越大，工作频率越低，恒流效果越好；2） 输出电流越大，需要电感值越小，电感选择方便；3） 通常电感越大，功率开关的开关损耗越小，但相应的电感的损耗会增大；4） PT4115 内部自带过温保护功能，外部过温保护可设，对LED 实现双重保护；5） PCB 布线要尽可能的将铜箔与PT4115 的Ex2posed PAD 和GND 的接触面积增大，以利散热；6） 交流12V 整流管和续流二极管一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功耗；7） 电感选取时，其饱和电流要求为输出电流的1. 5 倍。

　　4 实验结果

　　4. 1 效率测定

　　采用实验室精密仪表，对PT4115 的输出效率进行了测量，现以输出为3 颗LED 串联负载为例，其结果见表1.

　　表1 不同输入电压下，输出效率测定

　　

　　从表1 可见， PT4115 的整体供电效率维持在91 %以上，相对于当前市场上的恒流源，是一款效率高的产品。并且，单路可以实现驱动最多7 颗1W的LED 串联。由于，外围电路简单， IC 封装体积小，可以将恒流驱动和LED 负载整合在一块铝基板上，实现驱动、散热一体化的模组方案。

　　4. 2 实验波形

　　通过示波器采样肖特基二极管两端的波形，同样以3 颗LED 负载为例进行采样。

　　

　　图7 输入电压12 V 负载为3 颗LED 串联时的波形

　　从波形图7 与可见斩波波形没有毛刺，因此，谐波含量比较低，恒流驱动损耗小。

　　5 小结

　　本文通过对各种常用驱动技术进行比较，得出大功率LED 应采用恒流驱动的结论。并且，详细介绍了基于PT4115 的大功率LED 恒流驱动的原理、优点、及其电路实现。同时， 也详细叙述了在采用PT4115 实现恒流驱动过程中的经验总结。最后对其实验结果进行了描述，证明了该驱动的合理性、高效性、简洁性等突出优点。该恒流驱动具有很强的工程实用性。