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基于結(jié)溫保護的LED驅(qū)動設(shè)計

作者: 時間:2011-11-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/190967.htm


隨著外延材料、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。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。文中探討了LED結(jié)溫的測量方法,提出了通過單片機實時測量LED光源的結(jié)溫,在結(jié)溫超出設(shè)定值時生成PWM信號調(diào)整電源的輸出功率。文中給出了采用LM3404與PIC12F675組成的基于結(jié)溫的電源原理圖和單片機程序框圖。試驗表明,基于結(jié)溫的LED驅(qū)動,可使LED燈具可靠性有效提高。

1 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。

2 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。

3 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。

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

4 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、或在強制風冷條件下的風機停轉(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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