LED溫度保護(hù)電路和最基本的照明LED設(shè)計(jì)方案解析

　　最基礎(chǔ)的LED照明電路原理及其分析：

　　采用AC-DC 電源的LED 照明應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括二極管、開關(guān)（FET）、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調(diào)制（PWM）穩(wěn)壓器用于控制電源轉(zhuǎn)換。

　　電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC 電源轉(zhuǎn)換包含反激、正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參見圖3，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30 W 的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇，而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關(guān)頻率有關(guān)，且多數(shù)隔離型 LED 驅(qū)動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。

　　采用 DC-DC 電源的LED 照明應(yīng)用中，可以采用的LED 驅(qū)動(dòng)方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖參見圖 4。電阻型驅(qū)動(dòng)方式中，調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅(qū)動(dòng)方式易于設(shè)計(jì)、成本低，且沒有電磁兼容（EMC）問題，劣勢(shì)是依賴于電壓、需要篩選（binning） LED，且能效較低。

　　線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計(jì)且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)（fold back），且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關(guān)穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關(guān)（FET）的開和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。

　　開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對(duì)較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾（EMI）問題。LED DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）等不同類型。

　　其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時(shí)采用降壓結(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc 驅(qū)動(dòng)6 顆串聯(lián)的LED；與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時(shí)采用升壓結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 驅(qū)動(dòng) 6 顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)可以采用降壓-升壓或SEPIC 結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動(dòng) 4 顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。

　　采用交流電源直接驅(qū)動(dòng)LED 的方式近年來也獲得了一定的發(fā)展， 其應(yīng)用示意圖參見圖5。這種結(jié)構(gòu)中LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在線路電壓大于正向電壓時(shí)才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢(shì)，如避免AC-DC 轉(zhuǎn)換所帶來的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中LED 在低頻開關(guān)，故人眼可能會(huì)察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計(jì)中還需要加入LED 保護(hù)措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

　　LED保護(hù)電路設(shè)計(jì)原理及其思路：

　　 引言

　　隨著LED外延材料、芯片工藝及封裝技術(shù)的進(jìn)步，LED的發(fā)光效率不斷提高，這使得LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源成為可能。理論上說，LED具有壽命長(zhǎng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但在一些實(shí)際應(yīng)用中卻給人留下了光衰大、壽命短的印象，這大大影響了半導(dǎo)體照明的普及和推廣。究其原因，主要是LED的驅(qū)動(dòng)電源問題。

　　LED壽命長(zhǎng)、效率高是有前提的，即適宜的工作條件。其中影響壽命和發(fā)光效率的主要因素是LED的工作結(jié)溫。從主流LED廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，LED的發(fā)光效率與結(jié)溫幾乎成反比，壽命隨著結(jié)溫升高近乎以指數(shù)規(guī)律降低。因此，將結(jié)溫控制在一定范圍是確保LED壽命和發(fā)光效率的關(guān)鍵。而將結(jié)溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外，將結(jié)溫納入驅(qū)動(dòng)電源的控制參數(shù)是十分必要的。

　　 LED結(jié)溫的檢測(cè)

　　LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度，實(shí)際測(cè)量LED的結(jié)溫比較困難，但是可以根據(jù)LED的溫度特性間接測(cè)量。

　　LED的伏安特性和普通的二極管相似。用于白光照明的藍(lán)光LED典型的伏安特性如圖1所示。

　　圖1 LED的伏安特性

　　LED的伏安特性和其它二極管一樣具有負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)，即在結(jié)溫升高時(shí)I/V曲線出現(xiàn)左移現(xiàn)象，如下圖所示。

　　圖2 伏安特性的溫度特性

　　一般LED的結(jié)溫每升高1°C ，I/V曲線會(huì)向左平移1.5~4mV，假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會(huì)增加，電流增加只會(huì)使它的結(jié)溫升得更高，甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)。所以，目前LED驅(qū)動(dòng)電源一般設(shè)計(jì)為恒流供電。

　　根據(jù)I/V曲線隨結(jié)溫升高左移的規(guī)律，在恒流供電的情況下，測(cè)量LED的正向電壓就可以推算LED結(jié)溫。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，往往不需要確定LED結(jié)溫的特別精確的數(shù)值，此時(shí)可以用試驗(yàn)的方法確定整體燈具LED光源結(jié)溫的估算數(shù)值。以一個(gè)12W筒燈為例，光源部分由4并6串中功率LED組成，其電路連接形式如下：

　　圖3 LED光源電路連接圖

　　確定正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系的試驗(yàn)步驟為：1）將光源置入恒溫箱中；2）設(shè)置恒溫箱的溫度；3）待恒溫箱內(nèi)溫度充分平衡穩(wěn)定后，在光源兩端接入恒流源；4）迅速測(cè)量光源的正向電壓并記錄；5）重復(fù)上述步驟1）~（4），恒溫箱溫度由低到高，測(cè)得多點(diǎn)數(shù)據(jù)。

　　按上述步驟，對(duì)12W筒燈光源進(jìn)行三次測(cè)量，數(shù)據(jù)如下：

　　表1 LED正向壓降與結(jié)溫的測(cè)量數(shù)據(jù)

　　由表1可以看出，測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)律性很明顯。

　　因測(cè)試時(shí)間較短，可以將測(cè)量時(shí)恒溫箱設(shè)置溫度近似等于LED光源的結(jié)溫。在600mA恒流的情況下，通過數(shù)學(xué)方法不難得出光源模塊正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系。利用ExcEL工具，以溫度為X軸，平均值為Y軸，生成（X，Y）散點(diǎn)圖，選擇線性回歸分析類型則可生成如下趨勢(shì)圖和公式。

　　圖4 Excel生成的趨勢(shì)圖

　　由此可見，一個(gè)由4并6串中功率LED組成的光源，在600mA恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)其正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系為：

　　Vf = -0.0207Tj+ 20.332 （1）

　　Tj= 982.22-48.31Vf （2）

　　式中Vf為L(zhǎng)ED光源的正向壓降，Tj為結(jié)溫。需要注意的是，不同廠家不同規(guī)格的LED產(chǎn)品雖然都符合上述趨勢(shì)，但具體數(shù)據(jù)卻有一定的差異，因此更換廠家后規(guī)格型號(hào)需重新試驗(yàn)。

　　LM3404介紹

　　隨著LED照明應(yīng)用的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外廠家推出了很多用于驅(qū)動(dòng)LED的器件。其中美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的LM3404及系列產(chǎn)品就是一款非常適用于中小功率LED光源的恒流驅(qū)動(dòng)芯片。

　　LM3404內(nèi)置MOS開關(guān)管，最大輸出電流1A，效率高達(dá)95%.這款芯片采用8引腳SOIC封裝，其中的一條引腳可以利用脈寬調(diào)制（PWM）輸入信號(hào)控制LED的光亮度。

　　此外，這款芯片可以利用低至0.2V的反饋電壓提供電流檢測(cè)功能。輸入電壓6~42V，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　圖5 LM3404內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

　　引腳定義：

　　SW：內(nèi)部MOS管輸出端，一般需外接一個(gè)電感和一個(gè)肖特基二極管；

　　BOOT：內(nèi)部MOS管啟動(dòng)引腳，一般用一個(gè)10nF電容與SW端相連；

　　DIM:PWM調(diào)光輸入端，通過輸入不同占空比的PWM信號(hào)，可調(diào)整輸出的平均功率；

　　GND：接地端；

　　CS：反饋引腳，用于設(shè)置恒流值；

　　RON：在線控制端，該引腳接地可使芯片停止工作并處于低功耗狀態(tài)；

　　VCC：供電引腳，該端由芯片內(nèi)部提供一個(gè)7V電壓，應(yīng)用時(shí)接一個(gè)濾波電容到地；

　　VIN：輸入端，電壓范圍6~42V，對(duì)于LM3404H范圍為6~75V.

　　LM3404應(yīng)用十分簡(jiǎn)單，一個(gè)用LM3404的典型應(yīng)用如圖6所示。

　　圖6 LM3404典型應(yīng)用電路圖

　　圖中，Rsns為取樣電阻，可根據(jù)設(shè)計(jì)恒流值確定；Ron一般選用100k左右的電阻；可決定開關(guān)頻率；L1為輸出電感，可根據(jù)設(shè)計(jì)紋波及開關(guān)頻率等參數(shù)確定。

　　 基于結(jié)溫保護(hù)的LED電源設(shè)計(jì)

　　基于結(jié)溫保護(hù)的LED驅(qū)動(dòng)電路關(guān)鍵在于結(jié)溫檢測(cè)和如何保護(hù)。根據(jù)上述結(jié)溫與LED正向電壓的關(guān)系，測(cè)量LED光源的正向電壓即可確定結(jié)溫，但一般LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的紋波較大，為避免誤保護(hù)，檢測(cè)電路必須要對(duì)測(cè)量值進(jìn)行濾波。另一方面，當(dāng)結(jié)溫超過設(shè)定值時(shí)的保護(hù)措施，如能使光源降低功率工作，整個(gè)燈具降級(jí)運(yùn)行，是較為合理的方案。采用帶模擬輸入的低功耗的單片機(jī)，可以對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，并通過PWM輸出控制驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)LED光源功率，可簡(jiǎn)化檢測(cè)電路和控制電路的設(shè)計(jì)。

　　Microchip公司PIC12F675具有可編程的4通道模擬量輸入、10位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的低功耗在線可編程的單片機(jī)，其內(nèi)置看門狗、4MHz振蕩器、128字節(jié)EEPROM，單字節(jié)指令系統(tǒng)，8腳封裝。是一款簡(jiǎn)單實(shí)用的、性價(jià)比較高的單片機(jī)。將LED光源的正向電壓經(jīng)取樣后接入PIC12F675的模擬輸入端，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換、去除粗大誤差、取多個(gè)數(shù)據(jù)的均值作為結(jié)溫判斷依據(jù)，輸出PWM信號(hào)對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的效果。

　　此外，根據(jù)測(cè)量值還可以進(jìn)行開路判斷，從而也簡(jiǎn)化了開路保護(hù)電路。

　　仍以光源部分由4并6串中功率LED芯片組成的筒燈為例，設(shè)計(jì)恒流值為600mA，結(jié)溫保護(hù)點(diǎn)為80℃左右，根據(jù)式（1）得出其光源電壓保護(hù)點(diǎn)為18.68V，即光源兩端的電壓低于18.68V時(shí)，LED結(jié)溫會(huì)超過80℃，此時(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)采取保護(hù)措施。由LM3404和PIC12F675組成的基于結(jié)溫保護(hù)的LED電源電路原理圖如圖7所示。

　　圖7 基于結(jié)溫保護(hù)的LED電源電原理圖

　　原理圖中，CX1、L1、L2組成輸入EMC濾波電路，經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換輸出24V直流，如為電池供電的應(yīng)急照明、太陽能照明、及車載照明等應(yīng)用時(shí)，則該部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7組成典型的恒流驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)于4并6串的LED中功率芯片組成的光源模塊，取樣電阻為0.39Ω。R2、R3、R4與LM431組成穩(wěn)壓電路，為PIC12F675提供穩(wěn)定的5V電源和內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)。

　　LM3404的輸出經(jīng)R5、R6分壓后輸入PIC12F675的模擬端口AN2，PIC12F675經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換、計(jì)算獲取LED光源的正向電壓，根據(jù)設(shè)定值程序產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過GP4引腳接入LM3404的DIM端對(duì)其輸出功率進(jìn)行調(diào)整。

　　PIC12F675初始設(shè)置GP4輸出高電平，如測(cè)得LED正向電壓在合理范圍內(nèi)，則維持高電平輸出使LM3404正常工作；如LED正向電壓逐漸變低并低于設(shè)定值18.68V，則在GP4引腳輸出PWM信號(hào)，其占空比可依次降低，直至LED正向電壓低于設(shè)定值。當(dāng)測(cè)得LED正向電壓很高時(shí)可判定輸出開路， PIC12F675可輸出低電平關(guān)閉LM3404的輸出。

　　需要指出的是，輸出電壓取樣包含了用于LM3404恒流控制的電流取樣電壓約0.23V，在PIC12F675的計(jì)算程序中應(yīng)予以調(diào)整。

　　PIC12F675的程序框圖見圖8.

　　圖8 單片機(jī)程序框圖

　　 結(jié)語

　　對(duì)于由4并6串中功率LED組成的12W筒燈，在采用上述驅(qū)動(dòng)方案的試驗(yàn)中，人為向散熱外殼吹熱風(fēng)或光源與散熱外殼接觸脫離時(shí)，LED光源將迅速變暗，光源基板溫度隨之下降，有效地保護(hù)了光源本身。當(dāng)使燈具恢復(fù)正常狀態(tài)后，LED光源亮度也很快恢復(fù)正常。

　　實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)溫超出設(shè)定值的原因很多，如惡劣的環(huán)境、散熱器接觸問題、或在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下的風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)等。結(jié)溫升高將導(dǎo)致LED光源的正向電壓下降，特別在光源由多個(gè)LED串聯(lián)的情況下，下降幅度十分明顯。

　　通過檢測(cè)LED光源正向電壓的方法，間接測(cè)量結(jié)溫，并應(yīng)用單片機(jī)調(diào)節(jié)LED光源的功率，可大大提高整體燈具的可靠性和壽命。此外，基于結(jié)溫保護(hù)的LED電源由于利用單片機(jī)進(jìn)行控制，很容易擴(kuò)展其它功能。如作為路燈，可通過編程使后半夜降低功率運(yùn)行，從而進(jìn)一步節(jié)能和延長(zhǎng)燈具壽命；加入其它傳感器，可實(shí)現(xiàn)按需照明；加入遠(yuǎn)程通訊模塊，可以使燈具組成智能控制網(wǎng)絡(luò)等等。