长寿命LED驱动电路设计
【摘要】本文针对现有LED驱动电路因存在电解电容而缩短其寿命的缺点，提出了一种无电解电容的LED驱动电路的设计方法。以延长电路使用寿命为主题，以开关电源与线性电源相互结合为基础，扬长避短充分利用各自的优势，因为开关电源具有高效率的能量变换的特点而线性电源具有无输出纹波的特点，本设计充分利用其各自的优势来替代电解电容滤波，有效的解决了现有LED驱动电路存在寿命短的问题。这款LED驱动电路无大容量电解电容，小型电容可以采用长寿命的薄膜电容等容性元件，使其具有寿命长、效率高、纹波电流小特点，并且具有较高的安全性和稳定性。
【关键词】电解电容;驱动电路;有源纹波补偿;保护电路
1.前言
LED(发光二极管)为新一代的绿色照明光源，具有节能、环保、高亮度、长寿命等诸多优点。它不仅是照明光源的新宠，也与人们的生活戚戚相关。因此，研制长寿命的驱动电源，构建高效率、低成本、高功率因数和是LED灯发光品质和整体性能的关键，也是LED照明技术发展的需要。据不完全统计现有的白炽灯泡寿命比LED灯少约40倍。因为发光二级管不仅是直流电流驱动器件，也是光电转换器，有将光电转换的功能。它的作用主要是通过流动电流，将电能转变为光能，所以其优势是比一般的光源的节能效率和工作寿命都要高。但是，在LED驱动电源的整流电路和滤波电路中一般需要使用大容量的电解电容。电解电容器的寿命一般为l05℃/2000h，就是说当电容周围温度升高到105℃时其寿命只有84天，即使工作在温度为85℃的环境中，使用寿命也仅为332天，所以电解电容是阻碍LED驱动电路寿命的主要原因。为了提高驱动电源的寿命，有必要去掉电解电容，为此文中提出一种无电解电容的高亮度LED驱动电源。
2.LED驱动电路的工作原理
3.LED驱动电路的具体设计
3.1 输入电路的设计
3.1.1 EMI滤波器的设计
3.4 有源纹波补偿电路的设计
3.4.1 有源纹波补偿理论
因为现有的LC滤波电路无法完全滤除纹波，而且电容量小的电容滤波效果更差，所以传统的开关电源输出波纹大，若流过LED的电流纹波过大将不仅影响了LED的光效，而且影响LED的光衰，特别是电解电容由于它的使用寿命短，从而严重的缩短了开关电源和LED的使用寿命。因此，从研究小电容量入手、以输出纹波小、能量变换效率高为内容，以使用的安全性和长期性为目的，构建新型驱动电源，是十分重要的和必要的，是当前急需解决的问题，具有一定的科学性和可靠性。
文献[4]在总结主辅补偿电路的基础上，采用线性电源对电感纹波电流进行补偿的方法，其电路结构如图8所示。通过检测电阻R1的电压来检测电感纹波电流，放大器输出与电感纹波电流反向的补偿电流通过电阻R5将电感纹波电流补偿。该电路通过用电阻匹配来解决纹波电流补偿问题，容易实现;并且省去电解电容，使得电源的使用寿命能够延长。
3.4.2 有源纹波补偿电路的设计与仿真
如图9所示，有源纹波补偿电路由三极管，运算放大器A1，A2，和电感电流检测电阻组成。其原理是通过检测电感两端的电流，通过运算放大器A1和A2比较后控制三极管的开关实现电流的补偿。
4.结束语
目前LED驱动电路中，影响驱动电路整体寿命的主要因素是储能电容，所以本设计采用线性电源抑制输出波纹，达到减小储能电容的电容量的目的，因此可以在不增加输出波纹的情况下采用寿命长的薄膜电容取代电解电容，从而提高LED驱动电路的整体寿命。从仿真结果来看，采用以有源纹波补偿后，电路运行稳定，各项指标满足要求，这说明此方法能够有效的提高了驱动电路的使用寿命。
参考文献
[1]王蓓蓓.无电解电容的高亮度LED驱动电源研究[D].江苏：南京航空航天大学，2009.
[2]马年骏.恒流式LED电源的优化设计与应用[J].能源研究与管理，2011(4)：66-69.
[3]孙文婷，羊彦.无电解电容LED驱动电路[J].电子设计工程，2012(14)：8-10.
[4]Fu C M-S，Lu D D-C，Sathiakumar S.A novel method to reduce the operating temperature of high power light-emitting diodes[C].Australasian Universities Power Engineering Conference 2008(AUPEC'08).Sydney，NSW.Dec 14-17，2008：1-6.
[5]王官涛.有源纹波补偿降压型LED驱动电源[D].重庆：重庆大学，2011.
作者简介：阎迪(1988—)，男，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向：微电子学与固体电子学。
作者：阎迪
【摘要】本文介绍一种LED照明驱动电路失效机理的原理和方法。LED灯具失效分为源于电源驱动电路的失效和来源于LED器件本身的失效。在本文研究中，分析了典型LED电源驱动电路原理，并通过从在加入浪涌电压下的仿真实验，测得的LED驱动电路的各项参数指标进行失效分析，从而预测出各种实际工作中的敏感参数对失效的影响。最终，从理论的角度上给出LED器件本身失效的解决方案。
【关键词】LED驱动电路；失效机理；LED仿真；Multisim仿真
1.引言
近几年从事LED制造、和研发的人员大大增加。LED企业亦如雨后春笋般成长。由于从事LED驱动研发的企业和人众多，其技术水平参差不齐，研发出来的LED驱动电路质量好坏不一。导致LED灯具的失效时常发生，阻碍了LED照明的时常推广。LED灯具失效一是来源于电源和驱动的失效，二是来源于LED器件本身的失效。本文试着从实际的LED电源驱动电路这一方面，分析其电路的工作原理，然后试着从在不同环境下的LED驱动电路下，分析各种工作敏感参数对失效的影响，来进行失效模式的分析，最后，通过仿真来验证结果。并从理论上给出失效的解决方案。
2.LED驱动电路原理
LED是一种半导体材料制造而成发光二极管，只能够单向导通，而且其导通电压不高，正向导通电流也不能太大，所以对LED的供电电源有了一定的要求，这时LED驱动电路应运而生。实际使用中，大多数的LED产品都是使用交变电源作为LED驱动电路的电源输入，通过驱动电路变成稳压输出形式或者恒流输出形式的一种电路。LED驱动电路，根据不同的划分标准可以划分为很多类型，目前以电路的驱动原理，可以划分为两大类：一类为线性驱动电路，一类为开关型驱动电路。
2.1 线性驱动电路
线性驱动电路原理图如图1所示，从结构上一般都包含了以下的几部分，整流电路，滤波电路，稳压电路。
图中运用全波桥式整流，使交变电源整流成单向的脉动电压。滤波电路采取RC滤波，由滤波电路滤波出来的电压值已经比较接近于直流电源了，但是，由于电网上的电压波动，导致驱动电路的输出电压发生波动，这对于LED来讲，是致命的。所以滤波之后的电压需要加上一个稳压电路。以使线性驱动电路可以保持比较平稳的电压来驱动LED。
在线性驱动电路中，LED的亮度与通过电流成函数关系，而与加在LED上面的压降无关。从上面的电路原理图可以看出，线性LED驱动电路，结构简单，易于实现，研发周期短，生产成本低，体积小巧，而且，由于没有使用很多的大容量电容和电感，电路设计上不需要考虑EMI问题。可以适用于低电流照明系统。
2.2 开关型驱动电路
开关型驱动电路原理图如图2所示，是将输入的交变电压通过整流电路整流和滤波稳压之后，通过开关状态，来控制LED的电流或者电压，使LED可以平稳地发光。下面给出一个典型的开关型的驱动电路来逐步分析开关型驱动电路的工作状态。
从图2可见，开关型LED驱动电路可以划分为以下的几部分：低频整流滤波电路、自激振荡电路、稳压电路、取样脉宽调整电路和高频整流滤波电路等。
市电交流220V通过12V的变压器降压，然后经过桥式整流二极管3N258和电容C2组成低频整流滤波电路，转换成一个类直流电电源。功率三极管Q1、Q2、Q3和电容C5电阻R2组成一个自激震荡电路，其中Q2是PNP管，为脉宽调整管，Q1和Q3一个为PNP管，一个为NPN管，两个管子复合组成开关调整器，C5、R2通过调整参数可以设置器振荡频率。利用这个自激振荡电路，可以将类直流电源转化为一个高频的脉冲信号。高频信号的频率可以通过选频特性算出。可以调整高频脉冲的占空比，来调整设备输出的能量。电流流经电感时，会在L的两端产生感应电动势，当电流消失时，感应电动势会在电路的两端产生一个反向电压，若这个反向电压大于某些元器件的反向击穿电压时，将会损坏这些器件。利用一个续流二极管D2并联在电感的两端，通过R4和C6组成的回路，使这个反向的感应电动势有一个泄通回路。
R6、R7、R8组成的取样电路和R5、D3组成的基准源电路用來对高频信号进行脉宽的调整，来调节开关管的饱和导通时间，进而调整电源的输出电压。其中R7为可调电阻，方便对这个电压的调整。
从上面的分析可以看到，开关型LED驱动电路相比于线性驱动电路，效率高，而且输出的电流大，还可以通过调整脉宽来调整电流，输出的电流精度十分高，使LED亮度可以受控，适用于与大型的照明场合和电流输出比较打的场合。
3.LED驱动失效机理分析
3.1 LED驱动电路失效原因分析
（1）浪涌电流和浪涌电压
由于驱动电路的开启瞬间，电容充电需要很大的电流，而且其充电时间短，导致的瞬间大电流；由于电网上的电压波动和浪涌电压的冲击，导致驱动电路上的二极管和电阻等器件的瞬间大电压。这可能会对LED驱动电路上的器件造成永久性的损伤。
（2）静电放电
静电放电，即ESD现象。由于电量在极短的时间内泄放，往往起静电泄放电压可以达到几千伏特。这对于半导体器件是致命的。ESD可能使LED灯或者驱动IC的内部结构发生损毁。
（3）元器件使用失效
由于开关型驱动电路需要大电容来进行存储电能，稳压，而大电容一般使用铝电解电容。铝电解电容的失效率较其它元件高，而且由于变压器和LED在使用时会产生热量，这些热量加剧电解电容的电解液的运动，缩短了铝电解电容的正常使用年限。
（4）工作环境导致
目前，主流的LED驱动是使用交变电源作为电源输入的，对于一些大功率的LED驱动电路，其变压线圈会产生大量的热量，由热量而产生了LED失效的温度应力。温度应力的时间模型见下公式：
dM/dt=Ae-E/KT （2-1）
其中M为温度应力，T为温度，t为时间。
可见，温度应力随时间和温度呈指数式上升，电器使用时间越长，温度应力就越大，由热导致的失效率则越高。
3.2 线性调整型LED驱动电路失效分析
以图1线性调整行LED驱动电路进行失效分析，线性LED驱动一上电瞬间，AC电源需要对驱动电路内部的电容电感进行充电，所以，上电瞬间会有一个比较大的电流通过熔丝和整流桥。由于Multisim仿真软件只能仿真模拟量，对于环境热量和湿度等均无法模拟。所以这次仿真只能从电参数这方面进行模拟。这里加入两个失效因素，浪涌电压和浪涌电流，对上文所述的线性LED驱动电路进行失效仿真，加入浪涌电压之后电路运行情况的各个仪表参数。
由图1所示内容，可以读出各个仪表的值。
Vi=250V；Vo=29.934V；Vled=8.415V；Iled=34.606mA。
经过多次仿真测试得出与正常情况下的LED驱动电路电参数对比见表1所示。
从表1数据可以看出，当电网上电压波动10%幅值，线性LED驱动电路的工作状态就发生比较大的改变。从上图，可以发现，由于采用了合适的稳压电路，电网上的电压波幅几乎没有影响到线性LED驱（下转第46页）（上接第26页）动电路的工作电压。但是，其驱动电流却发生了巨大变化，驱动电流较之正常输入电压增幅达40%。这将导致LED超负荷工作，会减少LED灯珠的寿命，甚至可能会直接损毁灯珠。
3.3 开关型LED驱动电路失效分析
以图2线性调整行LED驱动电路进行失效分析，在图2仿真图中，XSC2代表输入的AC电源和整流之后的电压比较。其中正弦波型为AC220V，通过全波整流之后，其电压值Vimax≈311V，比较平稳的为整流之后的电压。整流之后的电压，从图中的mark点读出來的电压为11.368V。低频整流之后，电压经过自激振荡电路和高频整流电路以及稳压电路之后，输出来的就是LED的驱动电压了。
由于采用了稳压管1N4735A，稳压值为6.6V，所以LED驱动电压理论值为6.6V。从图2读出实际仿真的LED驱动电压为一个6.64V的直流电压。与理论相符。
经过多次仿真测试，可以读出几个仪表的参数分别为：
Vi=250V；Vo=12.3V；Vled=6.64V；Iled=47.416mA；
与正常情况下的LED驱动电路电参数对比见表2所示。
从表2可以看出，当电网上有浪涌电压输入时，开关型LED驱动电路，由于采用了良好的稳压措施，驱动电路的电压参量并未发生很大的变化，但是，LED的驱动电路变化交大，增幅达到100%。这将导致LED功率上升，使LED失效。
3.4 失效解决方案
经过前面几个小节对LED驱动电路的仿真分析可以总结出以下几个有效的LED失效解决方案：
（1）对于浪涌电流和电压，可以在电源输入给加上一个熔丝和一个PTC电阻。PTC电阻就是正温度系数电阻。当电源输入的初级电流有一个浪涌电流或者浪涌电压输入时，根据电阻的发热公式Q=R*I^2*T，流经PTC电流或者电压的增加势必会增加PTC电阻的发热量，从而是PTC电阻的阻值上升，使到电源输入的初级功率有一部分消减在PTC电阻处，以保证电源的副边输出功率不变，保持电压和电流的稳定。对于室外使用的LED驱动，还应该加入防雷保护措施。
（2）对于驱动器件的选择，在成本范围内，应该选用比较好的器件，尤其是电容。而且，器件的最大电流电压参数要保证是电路正常工作的额定值的2～3倍以上，具体参数具体选择。以保证电路元器件有足够的冗余来应付突变的电参量。
（3）同时，应该注意线路板的的布局，发热量大的应该隔开布局，以减少热量队板子的影响。线路板应该注意要防潮、防湿。在一些特定的环境下，还应做一些绝缘防潮的措施。
（4）对于开关型LED驱动电路，还应该防止EMI带来的失效。可以通过加入X电容，共模电感、差模电感、低通滤波电路、屏蔽体等来消减EMI带来的问题。
4.结论
本文在分析两种典型LED驱动电路原理的基础上，并分别对线性LED驱动电路和开关LED驱动电路进行了浪涌电压影响下的失效仿真。从仿真结果中可以看出，浪涌电压对LED驱动电源影响比较大。尤其是驱动电路这一部分。使LED驱动电流增大超过其最大正向导通电流，使LED灯珠失效。根据仿真分析结果，最终给出了合理的LED驱动电路的失效方案。
参考文献
[1]毛昭祺，Marshaal Miles，罗长春，蒋大鹏.提高LED驱动电源寿命和可靠性的方法[J].照明工程学报，2010， 21（12）：38-45.
[2]钟龙平，马智杰，徐欣歌，陈文芗.一种线性恒流的LED驱动电路设计[J].电子设计工程，2011，9（12）：116-118.
[3]俞云平.LED驱动电源您对环境应力的失效分析及改进方法[C].2010年全国照明LED驱动与电源技术研讨会论文集，2010：99-101.
作者简介：
温金保（1984—），男，硕士，广东水利电力职业技术学院自动化工程系助教，研究方向：智能控制。
彭杰（1986—），男，硕士，初级电子工程师，珠海欧比特控制工程股份有限公司研发人员，研究方向：嵌入式系统控制。
作者：温金保 彭杰
摘要：该文利用集成IC RS6513器件设计了锂电供电的、光电管控制夜间自动开启的红外LED驱动电路，叙述IC芯片原理，电路组成及特点与电路参数的确定。
关键词：锂电池；开关电源；红外LED；驱动电路
Design of Infrared LED Driven Circuit in the Night Imaging
JIN Ting-ting
(Dep. of Communication Engineering, China Armed Police Force’s Engineering University, Xi’an 710086, China)
Key words: lithium battery; switching power supply; the infrared LED; driven circuit
夜视技术是借助于光电成像器件实现夜间观察的一种光电技术。它包括微光夜视和红外夜视两类，其中红外夜视技术分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术。针对红外夜视技术中的主动红外夜视技术，它是通过主动照射并利用目标反射红外光来实施观察的一种夜视技术，其关键之一是红外光源驱动电路的设计，如何设计一个高效的、锂电供电的、自动开启的、适合便携式设备的简单电路是本文解决的主要问题。
本文利用集成IC RS6513器件设计了锂电供电的、光电管控制夜间自动开启的红外LED驱动电路，叙述IC芯片原理，电路组成及特点与电路参数的确定。
1驱动电路设计原理
本驱动电路的设计[1]的原理是利用锂电池供电后，通过光电二极管控制夜间自动开启红外LED驱动电路。该电路具有功耗低，效率高，红外发射功率大等特点，可以应用在武警部队夜间作战[2]和反恐作战军事装备上。
电路连接图如图1所示，主要由核心器件集成IC RSC513和3.7V锂电池、光电二极管与红外LED等构成。
图1驱动电路设计图
2集成IC RS6513芯片
2.1芯片原理
集成IC RS6513是由Orister Corporation生产的一款PWM（脉宽调变）控制2A Step-Down轉换器。它具有低纹波、高效率，出色的瞬态特性。
2.2芯片特点
集成IC RS6513芯片的特点如下：
输入电压：3.6V到18V。
输出电压：0.8V到VCC。
占空比：0%到100%。
振荡频率：350KHz。
软启动，电流限制，使能功能。
热关断功能。
内置SW内部MOSP沟道。
SOP-8LPb-Free包装。
2.3芯片功能
图2为集成IC RS6513芯片的内部结构。该芯片由Thermal shut down（热关断）、Oscillation Circuit（振荡回路）、Reference Voltage Source with Soft Start（带软启动的参考电压源）和PWM-Switched Control Circuit（脉宽调制开关控制回路）等部分构成。
热关断对RS6513电路起到过载保护功能；振荡回路为电路提供了振荡源；脉宽调制开关控制回路在电路中起到了完成电压的转换的功能。
图2
该芯片具有以下几点功能。
1)PWM控制
RS6513通过DC/DC转换器，采用脉冲宽调制(PWM)系统。根据负载电流在RS6513的转换，脉冲宽度的变化范围从0升到100%。因为开关频率保持不变，纹波电压利用开关能很容易地通过一个过滤器除去。因此，这些转换器提供了低纹波电源广泛的输入电压和负载范围。
2)欠压分离
欠压分离的RS6513电路，保证了高边MOSFET驱动器输出保持在关闭状态时，芯片输入电压低于3.3V；恢复正常操作一次，使输出电压上升到超过3.5V。
3)RDS(ON)电流限制
从VCC电源连接到OCSET由外部电阻设置电流限制阈值。内部100uA的吸收电流穿过电阻器设置OCSET引脚电压。当PWM电压低于OCSET电压，过电流的条件被触发。
I LOAD×RDS(ON)=I OCSET×R OCSET
芯片引脚描述
集成IC RS6513芯片的引脚功能描述如下。
FB：反馈电压引脚，连接图1中电阻R3和电阻R4。
EN：输入电压端，高电平时，芯片用于正常运行（降压操作）；低电平时，电路降压操作停止（所有电路停用）工作。
OCSET：电流偏置端子引脚。通过添加一个外部电阻设置最大输出电流。
VCC：IC电源端引脚，电源输入端。
Output：输出端。连接外部电感，能对纹波进行滤波和续流。
VSS：GND针接地。
3驱动电路电路特点
本驱动电路具有效率高，红外发射功率大等特点。
1）驱动电路电源选择3.7V单节锂电池供电。其原因一是体积小，便于集成到便携式设备中；其二，单节锂电，便于充电，延长电池使用寿命，两节锂电池若串联供电，会发生放电速度快慢不同，两节电池难达到放电平衡，充电时，也很难达到平衡，这是锂电池很容易损坏的主要原因。所以，本电路采用单节锂电池供电。其三，锂电池具有以下几个优点：
①能量体积比较高。具有高的能量存储密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；
②使用寿命长，使用寿命可达到6年以上；
③额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3组镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；
④具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30倍充放电的能力，便于高电流的启动加速；
⑤自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；
⑥高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；
⑦绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
2）采用总功率为3W的红外管[4]，其最高工作电压为2V，电流可达到700mA。由于发光管在工作中会出现发热与散热的问题，尤其是大功率电路，光源发热量通常较大，所以必须要选用合适的散热器以保证良好的散热性能，才能保证电路的工作稳定可靠。红外管在设计上添加了铝基板，在铝基板基础上附加散热器，使其具备良好的散热性能，较好的解决了发热和散热这一问题。
3）电路采用了光电二极管作为环境光强探测器，便于夜间电路自动开启。光电二极管是在反向电压作用之下工作的。当有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，形成光电电流。而当没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），形成暗电流，相当于开关断开。这种光控开关的电路，就能使红外管白天处于关闭状态，到夜间运作时，光电二极管可以自动开启红外LED，使电路自动工作。
4）电路采用了恒流式[6]驱动电路。因为LED是电流驱动器件，其发光强度和功率同驱动电流成正比，而不是电压。因此，为保证发光强度保持不变，本设计选择了恒流式的驱动电路。采用恒流式电路，具有以下几个特点：
①恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值越小，输出电压就越低，负载阻值越大，输出电压也就越高。
②应注意驱动电路所使用的最大承受电压值，它限制了LED的使用数量。
4参数选取及结果
通过实验证明，当电阻R1=100KΩ、R2=20KΩ、R3=1.8Ω、R4=11Ω时，测得其输出电流为590mA，（在额定700mA电流的范围内）；此时电路输出电压为1.54V。
5结束语
该电路具有功耗低，效率高，红外发射功率大等特点。基于集成IC RSA513芯片功耗低、效率高的特点，在提高电路工作效率方面起到关键作用，在实际应用中改变外围器件的参数可较为灵活得改变输出电流，拓展性强。
该驱动电路只采用了单个LED，实验证明，若电路采用多个LED[7]，也能达到同样的效果。需注意在采用多个LED串联时，驱动电路也要采用恒流式驱动电路，才能得到理想的设计效果。
驱动电路设计中的光电二极管在电路很中起到了自动开关的作用。是电路白天处于关闭状态，夜间操作时进行自动开启。
电路应用于单兵作战的便携式隐蔽侦察设备和夜间观瞄装备[8]取得良好效果。电路采用3.7V单节锂电池和光电自动开关，减轻了装备重量，提高了单兵作战的效率。
参考文献：
[1] GB/T 10318-1988.夜视器件和存储管用Y20荧光粉[S].
[2] GB/T 4779.3-1984.彩色显像管用荧光粉Y22-R4荧光粉[S].
作者：金婷婷
作者简介：刘婷婷(1971-)，女，广东省科技职业技术学校讲师，研究方向：电子产品设计，电子技术实训。
摘要：目前，因为LED灯绿色环保、使用寿命长的优势让它在各行各业得到了广泛的应用，它是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后新的照明革命。该文指出，利用性价比高的ACT111设计LED驱动电路，功能易于实现，并能大量应用于各种场合。
关键词：LED照明技术;ACT111;LED驱动电路;恒流电路。
随着经济的快速发展，生活水平的逐步提高，大量微电子技术、自动化技术、计算机技术迅速发展，半导体制作工艺日趋成熟，导致 LED技术广泛应用于电力、医疗卫生、民政、工商税务、政法系统等国民经济及社会生活中。研究资料表明，由于LED是冷光源，半导体自身对环境没有任何污染，与一般白炽灯相比，节电效率可以达到90%以上，同样亮度下，采用LED耗电量是白炽灯的1/10。同时，它采用直流驱动，没有频闪，没有红外与紫外的成分，没有辐射污染，显色性高并且有很强的发光方向性，调光性能好，不容易产生视觉误差，这些优点让LED在各种领域都得到了广泛的应用。
二、电路的设计
目前LED发展一般都存在成本高的问题，它的价格一般是白炽灯价格的几十倍;其次是它的电压匹配方面，LED不可以直接连接在220V的交流市电，LED一般都是几伏的低电压驱动，就必须配置一个复杂的变换电路，即电源适配器。本次设计是一款基于ACT111的LED驱动电路，它包括整流滤波部分，降压—升压型转换电路以及取样电路。整机电路如图1所示。
图1基于ACT111的驱动电路
1.驱动IC的选择
在设计这样一个驱动电路时，我们得考虑电路的成本，所以选择IC的理由主要是所谓的性价比，从IC的内部开关管来分主要有内置NPN和MOSFET之分。我们知道内置开关管的导通电阻越小，则其导通损耗就越小，同时因为灯饰内部空间小而对使用的电感与电容的体积有一定的要求，因此希望选择的IC的工作频率要高一些，这样就可以使用较小的电感和电容。同时IC的封装尺寸小一些也有利于PCB板的排版。通过查阅资料得知ACT111的输入电压调节范围是4.5～30V，这使得采用ACT111的驱动电路能提供很宽的驱动电流范围，内部采用N沟道MOSFET管，导通电阻只有0.3欧，采用SOT23-6的封装形式，体伿小。另外，它的开关频率高达1.4兆赫兹，可以采用小尺寸的电感和电容。效率高达90%，但价格仅是0.23元一只。综合以上参数，选择ACT111有比较大的性价比优势，这是降低成本的重要因素。
(1)ACT111的管脚分布与内部结构
ACT111的管脚分布与内部结构如图2、图3所示，ACT111是电流模式降压式，无需外部补偿元件，具有1.5A的LED驱动电流能力，它的输入电压范围大。其内部包括一个PWM控制电路，一个高精度的电压基准，一个振荡器和一个误差放大器，具有内部补偿功能，内置低导通电阻的N沟道MOSFET。利用LED串联回路的检测电阻进行取样，具有高精度性，反馈电压只有0.1V，极大的提高了转换器的效率。
图2ACT管脚分布
图3ACT111内部功能框图
(2)ACT111的功能描述
管脚号管脚名称功能描述1SW内置N沟道MOSFET的源极输出端，外部用来与功率电感器连接。2IN电源输入端。在这个引脚对GND端需连接一个1μF的瓷片电容作旁路电容，焊接时尽量和靠近该引脚和接地端。3DIMPWM调光信号输入端。将该脚空着时，起调光作用，当将该脚接地时，器件停止工作。4FBLED电流反馈调节输入端，该端的反馈的电压为0.1V，LED检测电流通过外部电阻R2连接到GND，将检测电阻上的电压反馈连接到该引脚。5GND接地端。6BST自举端。该引脚给内部N沟道MOSFET的栅极提供驱动电压，该端与SW端使用一颗001μF的电容。
2.整流滤波电路的设计
一般的整流电路，通常都是采用四个二极管进行桥式整流，如图4所示。但我们知道，在设计LED的驱动电路时，占空间不能太大，因此对电路的布局有一定的限制，而在结构上因为采用了降压—升压模式导致了转换效率的降低，在电路中如果采用MOSFET管可以补偿功率损耗，因此，在设计该整流电路时上面两个采用肖基特二极管VD1与VD2，下面两个采用了N沟道MOSFET管。在这里，最好不要全采用MOSFET管，主要原因是成本高，而且参数一旦选择不合理，便容易烧坏管子。改良后的整流滤波电路如图5所示。
输入侧MOSFET管整流工作原理为：假设输入为50Hz、12V的交流电源时，如果上端为正，则输入电压经VD1→C1(负载)→V2源极(S)→V2
图4由四个二极管驵成的整流电路
图5由两个肖基特二极管及N沟道MOSFET管组成的整流电路
漏极(D)→输入电压的另一端构成MOSFET管整流回路;如果输入下端为正时，则输入电压经VD2→C1(负载)→V1源极(S)→V1漏极(D)→输入电压的另一端构成MOSFET管整流回路。MOSFET管V1、V2的驱动电压直接取自输入电压。若输入端采用直流12V电压时，不管哪端为正电压，V1、V2的栅极都有导通的可能，这样也可以完成整流的作用。通过测量相关参数，发现这样的改动可以提高灯具的效率。
为保证LED在整个交流周期内正常工作，所以在整流桥的输出端并联了滤波电容来限制输出电压的纹波，滤波电容C1可选一个330μF的钽电容。 如果选用一般的铝电解电容，在ACT111的IN端与GND地端用短而粗的线再并联一个1μF的瓷片电容，以尽可能减低ESR阻抗。
3.ACT111的降压—升压电路
当驱动电路的输入电压在6～12V之间变化时，那么输出需要3个或以上的LED灯，如果输出的LED灯是串联形式，假设每个灯的UF=3.5V,则需要串联三个LED灯，总的UF为10.5V，但是在ACT111内部原有电路为降压式，如此一来就不能带动三个LED灯了。所以在ACT111的SW端，增加了一个升压的电路环节，如图6所示。但升压转换存在一个断续输出电流，因为这种原因要保持输出电压和输出电流连续必须加入输出电容，这个电容要求能承载电压调节，滤波和负载瞬变期间(比方说调光时)保持电压稳定的作用。一般来说，从低成本方面来考虑，就需要小的输出电容值，但从低纹波电流的要求来说又需要大的电容，所以在选择这个电容时，尽可以考虑满足纹波电流条件的小体积电容。本电路中选择47μF的电容作为输出电容。
图6ACT111的降压—升压电路模式
升压电路由R3、VD4、V3、L1等几个元器件组成，而ACT111的SW端与内部开关管组成了降压电路。当输入电压小于输出电压时，电路进入升压工作模式以满足输出电压的要求。当输入电压大于输出电压时，因为ACT111的SW端与内部开关管组成的降压电路会自动进入降压模式，同样能满足输出电压的需求。增加这个环节的缺点是整体转换效率有所降低，也增加了几个元件，导致排版电路时要合理的布局。
在设计时，电感L1的大小是电路中的关键，从理论上讲电感量越大，恒流精度越高，本电路中因为考虑到体积与成本因素，选择了10μH的电感。取样电路由ACT111的FB端与电阻R1、R2组成， FB端反馈电压与内部精确的基准电压作比较产生误差信号，因此LED工作电流的精度由与它串联的R1、R2的精度决定。R2为取样电阻，本电路中选择0.1欧的阻值。焊接电路时，取样电阻考虑大小为0.1/ILED即可，ILED是希望得到的输出电流值，0.1是ACT111 FB端的反馈电压大小，VD3是续流二极管。
三、 电路的改进
为了达到更好的性能，在排版电路时，一定要优化元器件的排列。首先，输入电容C2应放在IN与地之间，并且用短而粗的线连接。其次，续流二极管与回流电感尽量靠近FB端，以减少该端产生的振荡现象。同时取样电阻R2尽量靠近FB端,否则会引起反馈电压失真。
参考文献：
[1]刘祖明.LED芯片及驱动电路应用速查[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2]张庆双主编.LED应用电路精选[M].北京：机械工业出版社，2011.
[3]路秋生主编.开关电源技术与典型应用[M].北京：电子工业出版社，2012.
责任编辑 朱守锂
作者：刘婷婷
摘要：针对高职院校开设的《LED驱动电路设计》课程，结合高职学生特点，本文对《LED驱动电路设计》课程教学改革与实践进行一番探究，从而为高职院校开设类似专业课程的课程开发及实施提供一定的理论基础。
关键词：高职院校;LED驱动电路设计;课程教学改革随着LED的发展及其应用引起了广泛的关注，高职院校光电子技术等专业陆续将LED相关课程纳入专业课程的学习领域。作为LED系列课程的基础核心课程《LED驱动电路设计》，其课程教学改革与实践的探究对该课程的建立与实施发挥了极其重要的作用。本文将结合高职学生特点，对《LED驱动电路设计》课程教学改革与实践进行探究，从而为高职院校开设类似专业课程的课程开发及实施提供一定的理论基础。
一、学习领域设计
《LED驱动电路设计》是光电子技术与LED应用专业的必修课程，该课程结合LED驱动电路的最新应用技术，把LED驱动电路设计要点与电路实例有机结合起来，系统介绍了从事LED驱动电路研发、设计所必须的基础知识，以及在驱动电路设计过程中应掌握的设计要点。根据LED驱动电路研发和技术岗位的具体工作任务，培养学生重点培养学生分析电路、设计电路、调试电路及阅读工程资料等方面的职业能力及较强的动手实践能力。同时要求学生具备一定的LED驱动电路的设计和研发能力，同时培养学生的自学能力、动手能力及实践能力，具备良好职业道德及职业能力，具有良好的沟通协作精神，培养能从事LED驱动电路设计，或LED应用生产、研发和检测和管理岗位的技能型人才。
《LED驱动电路技术》课程的前修课程主要有《工程光学基础》、《电工与电子技术》、《LED技术基础》，通过该课程的学习及LED显示控制等相关课程的完成构成了一套比较完整的LED技术知识体系。《LED驱动电路技术》的学习内容主要包括LED基础知识、LED驱动电源的分类和要求、LED驱动电路、LED的应用技术。课程学习内容的组织与安排，应先知识后能力、由简入繁、循序渐进，不以传统的章节知识点为授课主线，代以真实项目为载体。具体的LED驱动电路设计任务分为：低压直流供电的LED驱动电路设计、阻容降压式的LED驱动电路设计、开关电源市电供电的LED驱动电路设计、带功率因数校正的高功率LED驱动电路设计、市电供电的非隔离LED驱动电路设计、可调光LED驱动电路的分析。根据LED驱动电路设计的关键技术，选择了基本涵盖本课程全部内容的6个典型工作项目，根据完成这些工作任务所需要的知识、能力、素质要求开展教学。
二、评价方案和教学资源建设
在课程的评价方案方面，可结合教师评价、自我评价、学生互评、小组评价等多方评价获得相对全面的评价结果。教师评价方面，依据课程要求，设计针对学生的评价考核《评分标准》，根据评分标准及项目完成情况评分，以学生自评为主、学生互评为辅，教师在评价过程中起引导调控作用。关注学生个体差异，注重过程性、表现性和发展性评价。自我评价方面，各小组成员之间依据《评分标准》自我评价。小组评价方面，评价在完成任务过程中的表现情况如纪律、态度、团队意识、责任意识、服务意识、关心他人等。
教学资源建设方面，建设有教学设计方案、电子教材、教学课件、案例库、习题库、训指导书等教学基本文件，符合课程设计要求，能满足网络课程教学需要。实训方面配有相关的计算机、软件开发平台、电子器件及相关的检测设备，达到教、学、做一体。
(作者单位：中山火炬职业技术学院)
参考文献：
[1]陈东旭，张帆，石雪梅.基于学习情境的高职精品课程建设策略探讨[J].广东教育·职教，2012(2)：17.
[2]陈永真，陈之勃.实用LED驱动电路的设计详解[M].北京：机械工业出版社，2011.
[3]毛新武.低成本无源PFC电路在市电供电LED驱动电路中的应用[J].中国电源博览，2009(102).
责任编辑何丽华
作者：朱俊
摘 要：本文從电路设计和软件编程两个方面详细探讨了基于NCP5623的RGB-LED驱动电路设计方案。
关键词：NCP5623;RGB-LED;驱动电路
1 硬件设计
本设计采用51单片机作为核心控制器，选用NCP5623作为驱动芯片。NCP5623是美国的安森美半导体公司推出的带I2C接口的LED驱动器，内部有3个独立工作的通道，可用于驱动RGB-LED。由于51单片机本身没有集成I2C接口，可任选两个I/O管脚与NCP5623的SDA和SCL脚相连，用软件模拟通讯协议。51单片机通过I2C总线向NCP5623发送命令，可实现RGB-LED三种颜色的亮度单独调整，渐进调光等功能。设计硬件电路图如图1所示。RSET为基准电流端的外接电阻，用于设定LED的最大工作电流ILED(max)，工作电流的计算公式：
式中UREF为NCP5623的内部基准电压源600mV;n为步进量，其值由控制命令中的参数确定，1?燮n?燮31。需要注意的是当n=31时，应按照n=30来计算，以避免电流计算公式中出现分母为零的情况。
2 软件设计
51单片机通过普通I/O口模拟I2C总线的技术已经非常成熟，这里不再赘述。对于本设计而言，软件工作的重点是根据NCP5623的数据手册所提供的命令设计子函数，NCP5623的内部寄存器各位分配情况如表1所示。
该器件的每一个命令为1个字节，通过I2C总线将这一个字节传输出去即可实现相应的控制功能。在这一个字节中，最高三位表示命令类型，低五位用来表示命令参数。比如010表示对红灯进行控制，后五位则表示控制的目标亮度相关参数n，下面给出每个命令的子程序实现流程，其中Start_I2C( )是I2C总线启动函数，Stop_I2C( )是I2C总线停止函数，ACK( )是I2C总线应答函数，SendByte( )是传输数据函数，data值由表1可得到。
表中的$70代表NCP5623的器件地址。
Start_I2C( );
SendByte(0x70);
ACK( );
SendByte(data);
ACK( );
Stop_I2C( );
其中data=0x00时，实现三个灯全灭的功能;当data取值为0x20～0x3f时，可同时控制三个灯的亮度;当data取值为0x40～0x5f时，可以单独控制红灯的亮度;当data取值为0x60～0x7f时，可以单独控制绿灯的亮度;当data取值为0x80～0x9f时，可以单独控制蓝灯的亮度。
NCP5623自带亮度渐进调整命令，子程序实现流程如下：
Start_I2C( );
SendByte(0x70);
ACK();
SendByte(data1);
ACK();
SendByte(data2);
ACK( );
SendByte(data3);
ACK( );
Stop_I2C( );
当data1取值为0x20～0x3f，data2取值为0xa0～0xbf时，可实现灯光渐亮调整。由于data1表示起始亮度值，data2表示目标亮度值，所以data1的低五位值一定要小于data2的低五位值，data3表示亮度调整的步进时间。
当data1取值为0x20～0x3f，data2取值为0xc0～0xdf时，可实现灯光渐暗调整，此时须保证data1的低五位值大于data2的低五位值。
3 总结
本文设计了一种基于单片机的RGB-LED驱动电路。根据功能需求，采用了NCP5623芯片，给出了电路图和主要命令程序，将不同命令程序组合起来，可以实现多种颜色变化和多层次亮度调整，有非常强的实用价值。
参考文献
[1]林立.单片机原理及应用——基于Prot
eus和Keil C(第4版)[M].电子工业出版社，2018.
[2]NCP5623 Triple Output I2C Controlle
d RGB LED Driver.october.2008.
作者：吴红雪
WMZD系列专门为LED照明做温度补偿的电阻，采用热敏电阻补偿法的LED恒流源，具有电路简洁，可靠性好,组合方便，经济实用，适用各种LED头灯，日光灯，路灯;车船灯,太阳能LED庭院灯;LED显示屏等对恒流的需求。是专门针对LED照明出现的由于温度引起的LED PN结电压VF下降，即-2mV/℃,称为PN结的负温效应。该特性在发光应用上是个致命的缺陷，直接影响到LED器件的发光效率、发光亮度、发光色度。比如，常温25℃时LED最佳工作电流20mA，当环境温度升高到85℃时，PN结电压VF下降,工作电流急剧增加到35mA～37mA,此时电流的增加并不会产生亮度的增加，称为亮度饱和。更为严重的是，温度的上升，引起光谱波长的偏移，造成色差。如长时工作在此高温区还将引起器件老化，发光亮度逐步衰减。同
为了避免上述特性带来的不足，一般在LED灯的相关产品上，通常采用如下措施：1.将LED装在散热板上，或风机风冷降温。2.LED采用恒流源的供电方式，不因LED随温度上升引起使回生电流增加，防止PN结恶性升温。或这两种方法并用。实践证明，这两种方法用于大功率LED灯(如广告背景灯、街灯)。确实是行之有效的措施。但当LED灯进入寻常百姓家就碰到如下问题了：散热板和风冷能否集成在一个普通灯头的空间内;采用集成电路或诸多元器件组成的恒流源电路，它的寿命不取于LED，而取决整个系统的某块“短板”;有没有吸引眼球的价格。用热敏电阻补偿法来解决LED恒流源问题，既经济又实用。
我公司采用具有正温度系数的热敏电阻(+2mV/℃)与负温度特性的LED(-2mV/℃)串联，互补成一个温度系数极小电阻型负载。一旦工作电压确定后，串联回路中的电流，将不会随温度变化而变化，通俗地讲，当LED随温度升高电流增加时，热敏电阻也随温度升高电阻变大，阻止了回路电流上升，当LED随温度下降电流减小时，热敏电阻也随温度下降电阻变小，阻止了回路电流的减少，如匹配得当，当环境温度在-40℃-85℃范围内变化时，LED的最佳工作电流不会明显变化，见图1电流曲线Ⅱ。 2:应用:
从图1可见，采用热敏电阻温度补偿方法与采用集成电路等元件组成的恒源相比，热敏电阻温度补偿法只用1个热敏电阻元件就可解决LED恒流源问题，其价格、体积、寿命等优势不言而喻。我们采用的这种正温度热敏电阻WMZD，专为LED应用而研制的，其常用规格见表1，下面介绍一下该热敏电阻的应用特性。
20mA LED恒流源WMZD-5A20的应用
我们可以用1只WMZD-5A20与5只LED(20mA)串联组成一个标准单元，它的LED恒流源电流20mA，工作电压U=3V+5×3.4V=20.0V。3V是WMZD-A20电阻压降，3.4V是LED的正向导通电压(或2.8V~4.2V),它的恒流特性见图1中的电流曲线II。
3.产品外形图片
应用电路与制作
注：用热敏电阻解决LED因温度变化而不能恒流的方案，使用本方案交流、直流电源均可，本方案不能解决供电电压变化引起的LED电流变化，仅对电源电压比较恒定的情况下有效，电压波动范围不能超过10%。如果电压波动超过10%应采取相应的稳压措施。比如220Vac(200Vac~240Vac)(交流电源只需要整流，不需要滤波)直流电电源4.5Vdc(4.0~5.0Vdc),超过这个电压波动范围,要采用稳压措施。
与一般LED恒流源相比，该标准单元有不怕负载开路的优点，也不怕负载短路，当短接5个LED后，回路电流急剧上升，引起WMZD温升，WMZD阻值迅速增大，可有效阻止电流继续上升。经过反复实验后发现，负载短路后，短路电流可由130 mA迅速下降到60 mA的稳定值，如在电源的允许范围内，不会损坏电源。
由多个5A20标准单元的串联组合，即可支持一定数量的LED，并获得相应的工作电压，比如用10个标准单元相串联的电路，可支持50个LED，灯，工作电压可接近200V。
Model 型号 WMZD-45A15 WMZD-5A20 WMZD-45A20 WMZD-5A30 WMZD-A100 WMZD-B100 WMZD-C100 WMZD-A300 WMZD-B300 300mA 0.5V+VF
WMZD-C300
1.7
100mA 0.65V+VF
6.5
恒流单元工作电
R25(Ω) 电流 压 15mA 11.3V+VFX45 755 20mA 3V+VFX5 20mA 10V+VFX45 30mA 3V+VFX5
150 500 100
单元电路 规格
A:引线型
B:不包封贴片
型
C:包封贴片型
也可以直接驱动一颗300mA大功率LED
WMZD-A350 WMZD-B350 WMZD-C350
两个WMZD-B350并联可以直接驱动一颗700mA的350mA 0.5V+VF
1.4
大功率LED 规格书资料下载
点击下载WMZD热敏电阻在LED恒流源中的应用资料
VF为LED20mA时的导通电压 100mA LED恒流源WMZD-B100的应用
1只WMZD-B100与5只并联的LED(20mA)串联可以组成一个标准单元，它的LED恒流电流为100 mA，工作电压U=0.65V+3.4V=4.05V,0.65V是WMZD-B100的电阻压降,3.4V是LED后,短路电流可由600 mA迅速下降28mA稳定值。
如果要增添LED的数量，可用多个标准单元并联组合，如下图2个B100并联可以驱动10个20mA的LED灯如果要提高工作电压，可用多个标准单元的串联组合。如下图2个单元串联，供电电压为一个单元的2倍，依次类推。
WMZD-B100，WMZD-B300，WMZD-B350的扩展应用
典型的电路连接方法见下图，用2只B100电阻并联扩展成200mALED恒流源，用于200mA的大功率LED，工作电压U=0.65V+VF。3只B100并联可扩展成300mA恒流源，用于300mA的大功率LED，工作电压U=0.65V+VF以此类推。用2只B300电阻并联扩展成600mALED恒流源，用于600mA的大功率LED，工作电压U=0.50V+VF。3只B300并联可扩展成900mA恒流源，用于900mA的大功率LED，工作电压U=0.50V+VF，以此类推。 WMZD的电流过补偿保护特性
热敏电阻WMZD还具有电流过补偿特性，即热敏电阻的正温变化率大于发光管的负温效应成为过补偿，图3所示是一条随温度上升而减少的下陡曲线。这一点与LED的另一典型特性是一致的，即允许电流在40℃后随温度上升相应减少，使LED的功耗控制在额定范围内，确保LED的最长寿命。WMZD电流过补偿保护特性，正好可以满足LED对电流的要求，这也是一般的LED恒流源不具备的。
过补偿保护应用在以下几处更显优势：1.全年或每天环境温差大，如室外照明的街灯、广告灯、车灯;2.低电压大电流LED灯(WMZD-B100具有低内阻、小压降);3.价高的大功率LED单个保护。
WMZD过补偿保护特性的典型应用电路接法见图4，与标准单元串联一个相同型号的WMZD热敏电阻，即可发挥过补偿作用，如果增加2个或3个WMZD热敏电阻会加深补偿作用，但如果实偿太深，常温下LED电流地低会影响发光效率。我们可以通过实验，选出保护功能与发光效率兼顾的最佳方案。下图为，采用2R和3R的电流温度对照图。
该电流特性正好满足了LED在40℃以上电流相应的减少，使LED的功耗在而定的范围内，确保最长寿命。 应用问答
问
1、用单元电路进行积木式组合时对电路的要求。
答： 由N个单元电路串联后的工作电压之和，确定直流电源的输出电压，由N路单元电路的电流之和，确定直流电源的输出电流，如采用输入电压有较大变化的220V AC/DC转换的直流电源，请考虑稳压措施。
问
2、WMZD单元电路中的LED数目能否增减，会影响恒流特性吗?
答：型号WMZD-A20 WMZD指驱动型正温热敏点电阻，A指串联，20指20mA，这是最佳组合，如串联3只或4只LED恒流曲线是一条下陡的曲线(过补偿曲线)完全可以应用;如串联6只或7只LED恒流曲线是一条上翘的曲线(欠补偿曲线)，组合后进行检测，如在高温80℃时，回路电流不超过25mA LED的最大值仍然可以用，新组合单元的工作电压U=3V+VFXN工作电流20mA。
型号WMZD-B100 WMZD指驱动型正温热敏点电阻，B指并联，100指100mA，这是最佳组合，如并联3只或只LED恒流曲线是一条下陡的曲线(过补偿曲线)完全可以应用;如并联6只或7只LED恒流曲线是一条上翘的曲线(欠补偿曲线)，组合后进行试验检测，回路电流在高温80℃时还在额定值内 仍然可用，新组合单元的工作电压这样确定，用可调式直流电源接入新组成的单元电路，将回路的电流调到最佳值(N个LED电流值之和)，对应的电压即工作电压U。
问
3、采用标准直流电源24V、12V、9V、4.5V时如何组和应用 答：原则上先考虑单元电路的串联个数，后选择LED的VF电压。
例1 12V电源：应采用3个WMZD-B100单元电路串联，单元电路典压为12V/3=4V,4V-0.65V(B100的压降)=3.35V，应选用3.3V或者3.4V的LED(该方也法适用于24V电源)。
例2 4.5V电源：应采用1个WMZD-B100单元电路串联，单元电路典压为4.5V-0.65V(B100的压降)=3.85V，应选用3.8V或者3.9V的LED(该方法适也用于9V电源)。 问
4、4.5V电源和VF=3.4V的LED有没有选择的余地?如何组合?
答：应采用1个WMZD-B100单元电路，它的工作电压为3.4+0.65V(B100的压降)=4.05V，在串联上一个单独的WMZD-B100电阻，总电压为4.05+0.65V(B100的压降)=4.7V，完全可以接入4.5V标准电源，它的恒流曲线是一条下陡的曲线(过补偿曲线)完全可以应用。(参见图3过补偿曲线)
问
5、组合后的LED灯如何测试它的效果?
答：采用热敏电阻补偿法的
LED恒流源，具有电路简洁，组合方便，适用于各种需求。应用中的检测方法也很简单，只用一支电流表串在回路中，在常温20℃∽30℃时调好最佳工作电流(20mA或者30mA)，并做好记录，在低温-40℃好的LED灯性能进行检验，该应用组合变化无穷，可自我鉴定，相信你会把它应用的更好 记下电流值，在高温80℃寄下电流值，三点温度对比一般电流误差值在10%以内，即为合格。利用温度表、冰箱、暖风机或者电吹风就可以把制作 问
6、如何在市电220V中直接使用WMZD热敏电阻对LED进行恒流控制?
答：如果电网电压波动不超过7%，即可不使用稳压电路，超过7%就要进行稳压处理，成本将大大增加。
1.按照下图接好电路，用万用表mA档串入电流校测点中，接通220V市电，串联回路电流应在18-22MA时即合格,如偏差较大如15MA和25MA,是因所选用的LED电压差异,可在最后一组单元里增、减LED数量,达到20MA左右的额定值。
2.用调压器将220V升至235V(220VX1.07倍),串联回路电流不应大于25mA,如大于25mA,应增加LED题数,直至将电流降到25mA以下。 3.LED可以脉动电流驱动发光,不会产生频闪现象,不需用电容滤波,不用电容可防止因电容击穿造成短路故障。 4.制成产品后,可用电热吹风,温度计升温到80℃观察电流变化,不大于25MA即合格.
点击链接WMZD热敏电阻在LED恒流源中的应用文库
正温度热敏电阻WMZD-45A20和WMZD-45A15，是南京华巨电子有限公司新近专为LED应用研制，它采用交流110V, 220V电源,支持45颗LED以上的设计,组合.功率因数接近1,效率达到90%以上(电阻消耗功率仅占10%以下).广泛应用于LED球灯,顶灯,灯串,庭院灯,日光灯. 110V交流供电
C : 4.7μF/400V R: 45A 20 LED: 20mA/3.0V
交流110V电源经桥式整流,滤波,直流输出145V.热敏电阻R选45A20, LED选20mA/3.0V ,45只串联.
计算串联后的工作电压=热敏电阻45A20压降+LED/VF×45=10V+3.0V×45=145V.
工作电压与电源直流输出电压相同.当环境温度在-40-℃-+70℃变化时,LED电流始终恒流在19--21mA之间.如VF值的离散性而引起电流偏离较大,可增减LED个数.达到设计值.
如LED选20mA/3.3V,宜用41只串联,计算工作电压=10V+3.3V×41=145.5V,与电源直流输出电压基本相同,当环境温度在-40-℃-+ 70℃变化时LED电流始终恒流在19--21mA之间.
重要提示,本电路因供电电压的波动,会引LED的电流变化,如电压波动在10%以内时,无需考虑稳压措施.
220V交流供电
C : 4.7μF/400V R: 45A 20 LED: 20mA/3.0V
交流220V电源经桥式整流,滤波,直流输出290V.
热敏电阻R选45A20,2只串联, LED选20mA/3.0V ,90只串联.
计算串联后的工作电压=热敏电阻45A20压降×2+LED/VF×90=10V×2+3.0V×90=290V.
工作电压与电源直流输出电压相同.当环境温度在-40-℃-+ 70℃变化时,LED电流始终恒流在19--21mA之间.如VF值的离散性而引起电流偏离较大,可增减LED个数.达到设计值.
如LED选20mA/3.3V,宜用80只串联,计算工作电压=10V×2+3.3V×82=290.6V,与电源直流输出电压基本相同,当环境温度在-40-℃-+ 70℃变化时,LED电流始终恒流在19--21mA之间.
重要提示,本电路因供电电压的波动,会引LED的电流变化,如电压波动在10%以内时,无需考虑稳压措施.
国家电力标准对供电电网的电压波动有以下规定:A级≤±5%.B级≤±7%.,电压最大瞬变应小于或等于额定电压的8%～10%，并在100～200ms内稳定。如本地区电网能达到该标准,就不会对LED造成损坏.
220V多路LED灯的应用电路
C : 10μF/400V R: 45A 20 LED: 20mA/3.0V C的电容值大小取决于LED并联路数的多少,可选10—20μF
制作样品图片
1、台灯照
2、路灯照
3、头灯照
《综合课程设计》课程报告 姓名： 韩 阳
学号： 专业： 光信息科学与技术 任课教师： 王习东 成绩：
三峡大学理学院物理系 2009年1月05日
大功率LED 的驱动电路设计
摘要：LED （light emitting diode）即发光二极管，是一种用途非常广泛的固体发光光源，一种可以将电能转化为光能的电子器件。由于LED 具有节能、环保、使用寿命非常长，LED 元件的体积非常小，LED 的发出的光线能量集中度很高，LED 的发光指向性非常强，LED 使用低压直流电即可驱动，显色性高（不会对人的眼睛造成伤害）等优点，LED 被广泛应用在背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。而且随着LED 研发技术的不断突破，高亮度、超高亮度、大功率的LED 相继问世，特别是白光LED 的发光效率已经超过了常用的白炽灯，正朝着常照明应用的方向发展，大有取代传统的白炽灯甚至节能灯的趋势。 本论文主要介绍采用恒流驱动方式实现驱动电路，并且提出一种基于恒流驱动芯片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。。
关键词：大功率LED ；驱动电路；恒流驱动芯片PT4115
一、LED 主要性能指标：
1）LED 的颜色：目前LED 的颜色主要有红色, 绿色, 蓝色, 青色, 黄色, 白色, 暖白, 琥珀色等其它的颜色；
2）LED 的电流：一般小功率的LED 的正向极限电流多在20mA 。但大功率LED 的功率至少在1W 以上，目前比较常见的有1W 、3W 、5W 、8W 和10W 。1W LED 的额定功率为350mA,3W LED的750mA 。
3）LED 的正向电压：LED 的正极接电源正极, 负极接电源负极。一般1W 的大功率LED 的正向电压为3.5V~3.8V。
4）LED 的反向电压：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏 LED 发光强度：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发 光强(度 ，单位为坎德拉（cd ）。
5）LED 光通量：光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。单位为流明(lm。如1W 大功率LED 的光通量一般为60~80LM。
6）LED 光照度：1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度. ，单位为勒克斯(lx。
7）LED 显色性：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度。
8）LED 的使用寿命：LED 一般可以使用50,000小时以上。
9）LED 发光角度：二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制。
二、大功率LED 的驱动方式：
LED 驱动简单的来讲就是给LED 提供正常工作条件(包括电压, 电流等条件 的一种电路, 也是LED 能工作必不可少的条件, 好的驱动电路还能随时保护LED ，避免LED 被损坏。 LED 驱动通常分为以下三种方式：
(1 镇流电阻驱动：就是简单的的在LED 变LED 的驱动电流. 。 LED 的工作电流为：
R U U I L -= 所以I 与镇流电阻R 成反比；当电源电压U 时，R 能限制I 的过量增长，使I 不超出LED 范围。此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED 范围，所以不选这种方案。
(2 恒压驱动：就是保持LED 两端的电压不变，因为每一种颜色的LED 的电压都不一样, 所以很少用恒压的方式来驱动LED 。
(3 恒流驱动：顾名思异就是保持LED 的电流一直不变, 让LED 在恒定电流的条件下工作。 由于大功率LED 是低电压、大电流的驱动器件，当LED 电压变化很少时，电流变化很大。LED 发光的强度由流过LED 的电流决定，电流过强会引起LED 的衰减，电流过弱会影响LED 的发光强度，因此LED 的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED 使用的安全性，同时达到理想的发光强度。如果采用恒压方式驱动，LED 正向电压的任何变化都会导致LED 电流的变化。由温度或电压变化引起的特定压变，导致正向电流降低，正向电压变化11％会导致更大的正向电流变化，达30％。电流的变化较大，使LED 的亮度不能恒定。所以一般都选择恒流驱动IC 。
三、恒流驱动方式电路
LED 驱动电路除了要满足安全要求外，还应具备两个基本功能：一是尽可能保持恒流特性，又使其在电源电压发生的变动时，仍应能保持输出的电流在的范围内变动；二是应保持较低的自身功耗，这样才能使LED 的系统效率保持在较高水平。随着更新一代大功率LED 所需的驱动电流的增加，要更多的考虑到LED 本身和电流驱动电路的散热管理和功耗等问题。本设计框图如下所示：
（1）适配器的选择：
本设计首先要将高压的交流电变换成低压的直流恒流源，然后经过驱动芯片输出恒流才能点亮LED 光源。最经济有效的方法降压和进行交直流变换
是使用当今便携式电子产品使用交流电源的交直流降压变换
器--适配器（Adapter ），既经济实惠、又现成、又好用。适配 器的输出电压要求稳定在DC12V ，适配器的输出电流要根据 LED 的光源的功率来选择，一般要给予30%的余量，1W 的
白光LED 的标准工作电流应为350mA ，因而3 个LED 光源 串联其电路需要的电流也是350mA ，考虑到延长LED 寿命和
降低光衰，可以设计为300mA--330mA ，不会明显的影响LED 发光的亮度，所以适配器的输出电流应选750mA~1A 的。
（2）驱动芯片：由于本设计采用恒流驱动方式，所以驱动芯片可以选择PT4115恒流驱动芯片，PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，适合绿色照明LED 灯的驱动电路。它具有较宽的直流8V 到30V 输入电压范围, 击穿电压大于45V ，输出200~1200mA恒定直流，可满足驱动点亮1~7颗串联的大功率LED 或N 颗串并联的小功率LED, 驱动恒流大小可按应用方案设定. 。PT4115采用频率抖动技术有效地改善EMI ；采用从满量程向下到零的PWM 调光；安全可靠，调光比可达5000:1；采用SOT89-5的封装，芯片的管芯可通过直接连通到封装外的金属板散热；导热十分有效；PT4115内部设置了过温保护功能，以保证系统稳定可靠的工作。当IC 芯片温度超出160℃,IC 即会进入过温保护状态并停止电流输出, 而当温度低于140℃时,IC 即会重新恢复至工作状态。PT4115可利用模拟调光的原理以及温度对LED 电流的负反馈实现LED 灯具动态温度控制, 只要在调光端(DIM端 加一热敏电阻或PN 结即可。加上整流桥PT4115可应用于交流12V 、24V 供电的LED 灯具。PT4115 的工作效率高达97%,是真正的绿色驱动IC ，PT4115被广泛应用于使用LED 灯的MR
11、MR
16、水灯、路灯等各类LED 灯具。PT4115主要参数如下：
• 输入范围从8V 到30V ，击穿电压>45V • 输出电流高达1.2A ，内置大功率MOFET • 效率高达97％ • 超低的关断电流 • ± 5％输出电流精度
• LED开路保护
• 模拟PWM 调光功能选择，高达5000:1的PWM 调光比 • 内部含有抖频特性，有效地改善了EMI 恒流驱动芯片PT4115的5脚封装的管脚图如右图所示，其管脚描述如下： 管脚1：SW ，功率开关的漏端； 管脚2：GND ，信号和功率；
管脚3：DIM ，开关使能、模拟和PWM 调光端；
管脚4：CSN ，电流采样端，采样电阻接在CSN 和VIN 端之间； 管脚5：VIN ，电源输入端，必须就近接旁路电容。 (3大功率LED ：可以选择1W 白光LED ，其参数如下： • 功 率 ：1W • 光 通 量：20-30LM • 顺向电压：3.5-3.8V • 额定电流：350mA
• 光 衰 ：≤5%每千小时光衰。 • 角 度 ：120度
四、设计电路原理图如下：
原理图器件说明：
D1~D4组成单相桥式整流电路，将交流变成直流，即不管U1输出的是直流还是交流，经过这个整流桥之后输出的电流总是直流的，给驱动芯片PT4115输入稳定的直流，保证电路正常工作，桥式整流电路二极管常用1N4007。
C1是滤波电容，把脉冲直流变换成平滑的直流。应选电解电容，型号为100uF/25V。 R1是取样电阻，控制PT4115输出电流的大小，它决定恒流源的绝对精度。R1的阻值与负载电流大小有关，一般用下面公式计算：
LED I R 1. 01= 由于负载是3个串联的1W LED，额定电流为350mA ，则采样电阻R1的大小为： Ω==2857. 035
. 01. 01R 所以R1可以选择阻值约为0.2857欧姆的金属膜电阻。
L 是整流电感，是这个电路中的关键元件，功能是把100KHz 的脉冲电流变换成三角波电流，L 的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。因为PT4115
的设计最佳工作频率在1MHz 以下，电感量大了小会影响其工作频率，本方案的电感设计在68uH 以上，这样系统工作频率可以控制到1MHz 以下。电感量小了，工作频率趋高，由于PT4115内部电流检测电路响应速度限制，对内部电流正常检测出现影响，不能更好的实现对内部开关的导通/关断控制。另外电感量太小还会导致PT4115的SW 端烧坏，而无输出。所以此设计中L 的电感量应选用68uH —100uH ，Q 值大于50，饱和电流大于800mA 的磁路闭合电感器。 D5是续流二极管，在晶片内部MOS 管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路。由于工作在高频脉冲状态，D5应选用正向压降小，恢复速度快的肖特基二极管。 芯片PT4115的DIM 端可外接PWM 脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻作辅助温度控制和自动亮度控制。由于本设计中不用到调节LED 灯亮度，故DIM 端悬空。
五、PT4115的动态温度调节和过温保护
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。动态温度调节的电路图如下左图所示。从图中可见，DIM 端内部是一个1M 的上拉电阻，连接到内部5V 电源上。所以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。
过温保护的实现从如下右图中可见，相对于左图多了一个三极管，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，PT4115重启，因此实现了PT41 15的过温保护。
六、设计总结： 设计总结： 本设计论文从 LED 的特性和驱动方式出发， 论述了 LED 的各种驱动方式， 并以流过 LED 的电流恒定为基本目的，设计了一个
简单的 LED 驱动电路。在整个设计中，首先阐述了该 驱动电路的基本原理，给出了理论依据。然后根据功能需要设计了一个驱动 3 × 1W 的 LED 驱动电路， 并针对应用特点提出了设计中还存在的不足， 用实验的方法论证了方案的可行性。 在 LED 光源的设计中，考虑各种因素，成功的完成了用 LED 光源代替传统的光源，使光源 兼有节能、环保、长寿和美观等特点。以下是设计中需要注意的问题：
1、驱动芯片 PT4115 是 40V 的 CMOS 工艺制造的，电子功率器件要安全可靠地工作，必 须要留有足够的冗余度，这样才有利于器件的散热，所以输入电压最好在 12V 左右； 2. 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； 3.PT4115 可利用模拟调光的原理以及温度对 LED 电流的负反馈实现 LED 灯具动态温度控 制，只要在调光端（DIM）加一热敏电阻或 PN 结即可实现 PWM 调光，但 PWM 调光有其 劣势，主要反映在 PWM 调光很容易使得白光 LED 的驱动电路产生人耳听得见的噪声，所 以本设计中没有设计 PWM 调光。 3.驱动 3 个 1W 的 LED 灯比只驱动一个 3W 的 LED 灯的发光效率更高。 4.在以市电为输入电源的 LED 驱动方案中，有隔离型与非隔离型两种驱动方案，隔离型 驱动安全但效率较低，非隔离型驱动效率较高。 5. 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； 6. PT4115 利用频抖技术较好地改善了 EMI。频率抖动技术(Frequency JiRer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，频率抖动应不超过基本频率的 20％至 30％。
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