基于結溫保護的LED驅動電路設計

壽命長、效率高是有前提的，即適宜的工作條件。其中影響壽命和發光效率的主要因素是 LED 的工作結溫。從主流 LED 廠家提供的測試數據表明，LED 的發光效率與結溫幾乎成反比，壽命隨著結溫升高近乎以指數規律降低。因此，將結溫控制在一定范圍是確保 LED 壽命和發光效率的關鍵。而將結溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外，將結溫納入驅動電源的控制參數是十分必要的。

　　1 LED 結溫的檢測

　　LED 的結溫是指 PN 結的溫度，實際測量 LED 的結溫比較困難，但是可以根據 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的特點，即在結溫升高時 I/V 曲線出現左移現象，如下圖所示。

　　圖 2 伏安特性的溫度特性

　　一般 LED 的結溫每升高 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溫升得更高，甚至導致惡性循環。所以，目前 LED 驅動電源一般設計為恒流供電。

　　根據 I/V 曲線隨結溫升高左移的規律，在恒流供電的情況下，測量 LED 的正向電壓就可以推算 LED 結溫。

　　在實際應用中，往往不需要確定 LED 結溫的特別精確的數值，此時可以用試驗的方法確定整體燈具 LED?光源結溫的估算數值。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

　　確定正向電壓與結溫的關系的試驗步驟為：1)將光源置入恒溫箱中;2)設置恒溫箱的溫度;3)待恒溫箱內溫度充分平衡穩定后，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)重復上述步驟 1)~(4)，恒溫箱溫度由低到高，測得多點數據。

　　按上述步驟，對 12W 筒燈光源進行三次測量，數據如下：

　　表 1 LED 正向壓降與結溫的測量數據

　　由表 1 可以看出，測量數據的一致性和規律性很明顯。

　　因測試時間較短，可以將測量時恒溫箱設置溫度近似等于 LED 光源的結溫。在 600mA 恒流的情況下，通過數學方法不難得出光源模塊正向電壓與結溫的關系。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 恒流驅動時其正向電壓與結溫的關系為：

　　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 為結溫。需要注意的是，不同廠家不同規格的 LED 產品雖然都符合上述趨勢，但具體數據卻有一定的差異，因此更換廠家后規格型號需重新試驗。

　　2 LM3404 介紹

　　隨著 LED 照明應用的發展，國內外廠家推出了很多用于驅動 LED 的器件。其中美國國家半導體公司推出的 LM3404 及系列產品就是一款非常適用于中小功率 LED 光源的恒流驅動芯片。

　　LM3404 內置 MOS 開關管，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,其內部電路結構如圖 5 所示。

　　圖 5 LM3404 內部電路結構圖

引腳定義：

　　SW:內部 MOS 管輸出端，一般需外接一個電感和一個肖特基二極管;

　　BOOT:內部 MOS 管啟動引腳，一般用一個 10nF 電容與 SW 端相連;

　　DIM:PWM 調光輸入端，通過輸入不同占空比的 PWM 信號，可調整輸出的平均功率;

　　GND:接地端;

　　CS:反饋引腳，用于設置恒流值;

　　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;

　　VCC:供電引腳，該端由芯片內部提供一個 7V 電壓，應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 應用十分簡單，一個用 LM3404 的典型應用如圖 6 所示。

　　圖 6 LM3404 典型應用電路圖

圖中，Rsns 為取樣電阻，可根據設計恒流值確定;Ron 一般選用 100k 左右的電阻;可決定開關頻率;L1 為輸出電感，可根據設計紋波及開關頻率等參數確定。

　　3 基于結溫保護的 LED 電源設計

　　基于結溫保護的 LED 驅動電路關鍵在于結溫檢測和如何保護。根據上述結溫與 LED 正向電壓的關系，測量 LED 光源的正向電壓即可確定結溫，但一般 LED 恒流驅動電路的紋波較大，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，當結溫超過設定值時的保護措施，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，可以對檢測數據進行數字濾波，并通過 PWM 輸出控制驅動調節 LED 光源功率，可簡化檢測電路和控制電路的設計。

　　Microchip 公司 PIC12F675 具有可編程的 4 通道模擬量輸入、10 位分辨率模數轉換的低功耗在線可編程的單片機，其內置看門狗、4MHz 振蕩器、128 字節 EEPROM,單字節指令系統，8 腳封裝。是一款簡單實用的、性價比較高的單片機。將 LED 光源的正向電壓經取樣后接入 PIC12F675 的模擬輸入端，經 AD 轉換、去除粗大誤差、取多個數據的均值作為結溫判斷依據，輸出 PWM 信號對恒流驅動芯片進行控制，以達到調節輸出功率的效果。

　　此外，根據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，設計恒流值為 600mA,結溫保護點為 80℃左右，根據式(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 結溫會超過 80℃，此時驅動應采取保護措施。由 LM3404 和 PIC12F675 組成的基于結溫保護的 LED 電源電路原理圖如圖 7 所示。

圖 7 基于結溫保護的 LED 電源電原理圖

原理圖中，CX1、L1、L2 組成輸入 EMC 濾波電路，經 AC/DC 轉換輸出 24V 直流，如為電池供電的應急照明、太陽能照明、及車載照明等應用時，則該部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7 組成典型的恒流驅動電路，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 組成穩壓電路，為 PIC12F675 提供穩定的 5V 電源和內部 AD 轉換的電壓基準。

　　LM3404 的輸出經 R5、R6 分壓后輸入 PIC12F675 的模擬端口 AN2,PIC12F675 經內部 AD 轉換、計算獲取 LED 光源的正向電壓，根據設定值程序產生 PWM 信號，通過 GP4 引腳接入 LM3404 的 DIM 端對其輸出功率進行調整。

　　PIC12F675 初始設置 GP4 輸出高電平，如測得 LED 正向電壓在合理范圍內，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 的計算程序中應予以調整。

　　PIC12F675 的程序框圖見圖

　　圖 8 單片機程序框圖

4 結語

　　基于結溫保護的 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，從而進一步節能和延長燈具壽命;加入其它傳感器，可實現按需照明;加入遠程通訊模塊，可以使燈具組成智能控制網絡等等。