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、正激及半橋等拓撲結(jié)構(gòu)，參見圖3，其中反激拓撲結(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)動方式中，調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅(qū)動方式易于設(shè)計、成本低，且沒有電磁兼容（EMC）問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選（binning） LED，且能效較低。
線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護（fold back），且提供外部電流設(shè)定點，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)，進而控制電流的流動。
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)壓器常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級電感轉(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 串最大電壓時采用降壓結(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc 驅(qū)動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采用升壓結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 驅(qū)動 6 顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC 結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動 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才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢，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)，故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計中還需要加入LED 保護措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。
LED保護電路設(shè)計原理及其思路： 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、效率高等優(yōu)點，但在一些實際應(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)動電源問題。
LED壽命長、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)動電源的控制參數(shù)是十分必要的。
LED結(jié)溫的檢測LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度，實際測量LED的結(jié)溫比較困難，但是可以根據(jù)LED的溫度特性間接測量。
LED的伏安特性和普通的二極管相似。用于白光照明的藍光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溫度系數(shù)的特點，即在結(jié)溫升高時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曲線會向左平移1.5~4mV，假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會增加，電流增加只會使它的結(jié)溫升得更高，甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)。所以，目前LED驅(qū)動電源一般設(shè)計為恒流供電。
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，測量LED的正向電壓就可以推算LED結(jié)溫。
在實際應(yīng)用中，往往不需要確定LED結(jié)溫的特別精確的數(shù)值，此時可以用試驗的方法確定整體燈具LED光源結(jié)溫的估算數(shù)值。以一個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，測得多點數(shù)據(jù)。
按上述步驟，對12W筒燈光源進行三次測量，數(shù)據(jù)如下：
表1 LED正向壓降與結(jié)溫的測量數(shù)據(jù)
由表1可以看出，測量數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)律性很明顯。
因測試時間較短，可以將測量時恒溫箱設(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）散點圖，選擇線性回歸分析類型則可生成如下趨勢圖和公式。
圖4 Excel生成的趨勢圖
由此可見，一個由4并6串中功率LED組成的光源，在600mA恒流驅(qū)動時其正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系為：
Vf = -0.0207Tj+ 20.332 （1）
Tj= 982.22-48.31Vf （2）
式中Vf為LED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，但具體數(shù)據(jù)卻有一定的差異，因此更換廠家后規(guī)格型號需重新試驗。
LM3404介紹隨著LED照明應(yīng)用的發(fā)展，國內(nèi)外廠家推出了很多用于驅(qū)動LED的器件。其中美國國家半導(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)動芯片。
LM3404內(nèi)置MOS開關(guān)管，最大輸出電流1A，效率高達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，一般需外接一個電感和一個肖特基二極管；
BOOT：內(nèi)部MOS管啟動引腳，一般用一個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，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7V電壓，應(yīng)用時接一個濾波電容到地；
VIN：輸入端，電壓范圍6~42V，對于LM3404H范圍為6~75V.
LM3404應(yīng)用十分簡單，一個用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)計紋波及開關(guān)頻率等參數(shù)確定。
基于結(jié)溫保護的LED電源設(shè)計基于結(jié)溫保護的LED驅(qū)動電路關(guān)鍵在于結(jié)溫檢測和如何保護。根據(jù)上述結(jié)溫與LED正向電壓的關(guān)系，測量LED光源的正向電壓即可確定結(jié)溫，但一般LED恒流驅(qū)動電路的紋波較大，為避免誤保護，檢測電路必須要對測量值進行濾波。另一方面，當(dāng)結(jié)溫超過設(shè)定值時的保護措施，如能使光源降低功率工作，整個燈具降級運行，是較為合理的方案。采用帶模擬輸入的低功耗的單片機，可以對檢測數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，并通過PWM輸出控制驅(qū)動調(diào)節(jié)LED光源功率，可簡化檢測電路和控制電路的設(shè)計。
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，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。是一款簡單實用的、性價比較高的單片機。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、取多個數(shù)據(jù)的均值作為結(jié)溫判斷依據(jù)，輸出PWM信號對恒流驅(qū)動芯片進行控制，以達到調(diào)節(jié)輸出功率的效果。
此外，根據(jù)測量值還可以進行開路判斷，從而也簡化了開路保護電路。
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)計恒流值為600mA，結(jié)溫保護點為80℃左右，根據(jù)式（1）得出其光源電壓保護點為18.68V，即光源兩端的電壓低于18.68V時，LED結(jié)溫會超過80℃，此時驅(qū)動應(yīng)采取保護措施。由LM3404和PIC12F675組成的基于結(jié)溫保護的LED電源電路原理圖如圖7所示。
圖7 基于結(jié)溫保護的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，則該部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7組成典型的恒流驅(qū)動電路，對于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，通過GP4引腳接入LM3404的DIM端對其輸出功率進行調(diào)整。
PIC12F675初始設(shè)置GP4輸出高電平，如測得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，其占空比可依次降低，直至LED正向電壓低于設(shè)定值。當(dāng)測得LED正向電壓很高時可判定輸出開路， 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 單片機程序框圖
結(jié)語對于由4并6串中功率LED組成的12W筒燈，在采用上述驅(qū)動方案的試驗中，人為向散熱外殼吹熱風(fēng)或光源與散熱外殼接觸脫離時，LED光源將迅速變暗，光源基板溫度隨之下降，有效地保護了光源本身。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、或在強制風(fēng)冷條件下的風(fēng)機停轉(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LED串聯(lián)的情況下，下降幅度十分明顯。
通過檢測LED光源正向電壓的方法，間接測量結(jié)溫，并應(yīng)用單片機調(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)溫保護的LED電源由于利用單片機進行控制，很容易擴展其它功能。如作為路燈，可通過編程使后半夜降低功率運行，從而進一步節(jié)能和延長燈具壽命；加入其它傳感器，可實現(xiàn)按需照明；加入遠程通訊模塊，可以使燈具組成智能控制網(wǎng)絡(luò)等等。
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