中心議題：

• 大功率LED恒流驅動設計方案
• LED工作特性
• LED 常用驅動技術比較研究

解決方案：

• 基于PT4115 的恒流驅動設計

本文對LED 常用驅動技術進行了比較研究,，得出大功率LED 采用恒流驅動的合理性。并對采用PT4115 的大功率LED 恒流驅動的設計原理進行了詳細的介紹,。該恒流驅動具有驅動原理簡單,、成本低,、恒流效果好等優(yōu)點,。并且,，該恒流源相對于其也恒流源具有輸入電壓范圍寬泛、效率高的優(yōu)點,。對大功率LED 在太陽能行業(yè)上的應用具有很好的工程實用價值,。

0  引言

光伏發(fā)電行業(yè)作為一種新興行業(yè)，其發(fā)展具有突飛猛進的趨勢,。光伏照明是光伏產業(yè)中的支柱產業(yè),。由于光伏電池所發(fā)出來的電如果不經過一次變換的話是直流電,，因此,，LED 光源作為一種直流電光源,，尤其適合光伏照明產業(yè),。但是,，LED 的高效節(jié)能的優(yōu)點要想保證的話,，其驅動具有尤為重要的作用,。本文對大功率LED 和小功率LED 適合的驅動進行了比較研究。并且提出一種基于PT4115 的高效率的大功率LED 恒流驅動解決方案,。該種驅動電路簡單,、高效、成本低,，適合當今太陽能產品的市場化發(fā)展。

1  LED 工作特性

LED 具有對電壓敏感的特性,，當LED 兩端電壓超過其導通電壓后,?？山频恼J為其正向電壓VF和正向電流IF 成比例關系,。因此,，電壓的變化會引起電流的變化,。

圖1 　LED 的VF 和IF 特性曲線線

從圖1 可以看出電壓的微小變化會引起電流的極大變化。由此,，可以得出對于LED 應該采用恒流驅動,，防止流過LED 電流的極大波動,，影響LED 的使用壽命,。因此，不管是交流恒流驅動還是直流恒流驅動,，其輸出端LED 兩端電壓的峰峰值最好控制電流在幾十毫安,。

2  LED 常用驅動技術比較研究

2. 1  電阻鎮(zhèn)流驅動

圖2  采用鎮(zhèn)流電阻驅動的原理圖

從圖2 中可見,，采用電阻鎮(zhèn)流的驅動方式就是在LED 燈串上串聯(lián)上鎮(zhèn)流電阻。通過鎮(zhèn)流電阻降低在LED 燈串上的電壓,，防止LED 過壓被擊穿。鎮(zhèn)流電阻的驅動方式實際上就是通常所說的恒壓驅動方式,。該種驅動方式雖然簡單,，但是在鎮(zhèn)流電阻上會有損耗,，并且,，損耗會隨輸入電壓的增大而增大,。因此,，該種技術作為最早的驅動技術,，已經隨著技術的發(fā)展，逐漸被取代。

2. 2  PWM恒壓驅動方式
眾所周之,，PWM驅動方式本身具有驅動效率高的優(yōu)點,。因此，采用PWM 恒壓驅動方式具有效率高,，驅動電路簡單的優(yōu)勢,。但是，鎮(zhèn)流電阻這種恒驅動方式,，已經不適合當今光伏照明的簡潔,、高效的趨勢。因此,，PWM恒壓IC 隨之出現(xiàn),。

圖3  恒壓驅動原理

對于采用恒壓驅動（見圖3） ,因輸出到LED 負載兩端的壓降不變，如果其中一路的某顆LED 發(fā)生短路故障,，則這個輸出的恒壓壓降將全部降在其它LED 兩端,，則剩余的每顆LED 承受的電壓可能超過電壓額定值，而將其燒毀,。

LED 因其VF 值特性原因做不到相同,，隨著溫度及電流大小也有些VF 值也會發(fā)生變化，一般不適合并聯(lián)設計,。但是有些情況又不得不并聯(lián)解決多顆LED 驅動成本問題,，就像小功率LED 如果每一路采用一個恒流源會大大增加驅動成本，因此,，就必須采用多組LED 燈串并聯(lián),，而采用恒壓驅動的方式進行驅動。

因此,， 即使采用恒壓驅動的方式,， 也要選擇PWM恒壓驅動IC ,提高驅動效率。

迫于小功率LED 要想實現(xiàn)和大功率相同的照度,，所需數(shù)量大，如果每路驅動使用一個恒流驅動,，將大大增加驅動成本，鑒于此問題,，小功率LED 適合采用恒壓驅動方式,。

2. 3  恒流驅動技術
對于恒流驅動實際上很大程度上是結合PWM恒壓驅動高效率的特點，對其進行改造以最簡單的方法實現(xiàn)恒流,。

對于PWM恒壓IC 內置一個基準電壓,，通過采樣反饋端FB 端電壓和內置電壓比較，以控制PWM輸出占空比,，以實現(xiàn)恒壓驅動,。

要進行恒流控制就要在斬波輸出端串聯(lián)一個小電阻，采樣其對地電壓,，然后對其進行放大并反饋到恒壓控制端,，以進行恒流控制。由于采樣電阻串聯(lián)在輸出回路里,，要降低落在電阻上的功耗,，就要盡量減小電阻的阻值,，通常選0. 1 Ω電阻,。

采用恒流驅動,，必須每一路LED 燈串有一個恒流源驅動。當燈串中單顆LED 發(fā)生短路故障時，由于輸出電流不變,，因此,，并不影響其它LED 的光效，采用恒流驅動能大大提高LED 的使用壽命。

3  基于PT4115 的恒流驅動技術

3. 1  PT4115 芯片簡介
1） 極少的外部原件
2） 很寬的電壓輸入范圍：從8 V 到30 V
3） 最大輸出1. 2 A 電流
4） 復用DIM 引腳進行LED 開關、模擬調光、PWM調光
5） 5 %的輸出電流精度
6） LED 開路保護
7） 高達97 %的效率
8） 輸出可調的恒流控制方法
9） 內部含有抖頻特性,，極大的改善EMI

3. 2  典型應用電路

圖4  PT4114 典型應用電路

對于PT4115 （見圖4） 即可以應用于12~18 V 的交流,，也可應用在8 V~30 V 的直流,。因此,，應用范圍更加廣泛,。并且,，驅動電路簡單,，所需元器件均價格低廉,。適合批量、市場化,。

3. 3  PT4115 恒流原理
保持采樣端（CSN） 輸入電壓值為IC 內部設定值相對于VIN 電壓值不變即可實現(xiàn)恒流,。因為：

式中：ILED ---流過L ED 的電流,；VCSN ---電壓檢測端電壓,；RS ---電流采樣電阻。

從式（1） 可見,，只要保證采樣端電壓相對于輸入端電壓不變,，就能使流過LED 的電流恒定。

3. 4  PT4115 調光措施
PT4115 采用PWM 調光措施,，當DIM 引腳電壓低于0. 3 V 時關斷LED 電流,，高于2. 5 V 時開啟LED 電流。

PWM調光措施相對于傳統(tǒng)的線性調光,，不影響LED 的光效,。PWM 調光的基本原理是保持LED 正向導通電流恒定，而通過控制電流導通和關斷的時間比例,，即控制每個周期電流導通的時間,。PWM 調光的優(yōu)勢是LED 正向導通的電流一直是恒定的，LED的色度就不會像模擬調光一樣會變化,。PWM調光可以在精確控制LED 的亮度的同時,，也保證LED 發(fā)光的色度。

線性調光是通過改變流過LED 的電流來調整光效的,，流過LED 的電流的變化必然會影響LED 的色度,。

因此，PWM調光相對傳統(tǒng)的線性調光具有很大的進步。

3. 5  PT4115 頻抖改善EMI 的原理
頻率抖動技術（Frequency Jitter） 是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI 問題的新方法,。頻率抖動技術是指開關電源的工作頻率并非固定不變,，而是周期性地由窄帶變?yōu)閷拵У姆绞絹斫档虴MI ,來減小電磁干擾的方法。

頻率抖動技術通過擴展電源噪聲頻譜的方式降低了窄帶EMI.對于可以抖動多少的振蕩器頻（fs） ,存在一些局限性,。其中一些局限因素是開關損耗和磁路設計,。為了將升壓電感盡可能的保持較小，并將開關損耗保持在可控范圍內,，頻率抖動應不超過基本頻率的20 %至30 %.

3. 6  PT4115 的動態(tài)溫度調節(jié)和過溫保護
對于PT4115 具有動態(tài)溫度調節(jié)的功能,，并且，可以在此功能的基礎上實現(xiàn)過溫保護,。

3. 6. 1  動態(tài)溫度調節(jié),。

圖5  動態(tài)溫度調節(jié)原理圖

從圖5 中可見，DIM 端內部是一個1MΩ 的上拉電阻,，連接到內部5V 電源上,。DIM 端電壓由內部上拉電阻和熱敏電阻NTC 分壓決定。從熱敏電阻的特性可以知道,，溫度的變化會影響NTC 的阻值,，進而影響DIM端電壓，以實現(xiàn)PT4115 的動態(tài)溫度調節(jié),。

3. 6. 2  過溫保護的實現(xiàn),。
從圖6 中可見，相對于圖5 多了一個三極管,，當溫度升高時，NTC 電阻的阻值減小,，其上的分壓也減小,，則相應的其下面電阻上的分壓升高，當超過三極管的開通電壓時,， 三極管導通,，DIM 端接地， 關斷LED電流,， 當溫度降低時,， IC 重啟， 因此,， 實現(xiàn)了PT4115 的過溫保護,。

圖6 　過溫保護的實現(xiàn)原理圖

3. 7  PT4115 工程應用中的經驗
1） 電感越大，工作頻率越低,，恒流效果越好,；
2） 輸出電流越大，需要電感值越小,，電感選擇方便,；
3） 通常電感越大,，功率開關的開關損耗越小，但相應的電感的損耗會增大,；
4） PT4115 內部自帶過溫保護功能,，外部過溫保護可設，對LED 實現(xiàn)雙重保護,；
5） PCB 布線要盡可能的將銅箔與PT4115 的Ex2posed PAD 和GND 的接觸面積增大,，以利散熱；
6） 交流12V 整流管和續(xù)流二極管一定要選用低壓降的肖特基二極管,，以降低自身功耗,；
7） 電感選取時，其飽和電流要求為輸出電流的1. 5 倍,。

4  實驗結果

4. 1  效率測定
采用實驗室精密儀表,，對PT4115 的輸出效率進行了測量，現(xiàn)以輸出為3 顆LED 串聯(lián)負載為例,，其結果見表1.

表1  不同輸入電壓下,，輸出效率測定

從表1 可見， PT4115 的整體供電效率維持在91 %以上,，相對于當前市場上的恒流源,，是一款效率高的產品。并且,，單路可以實現(xiàn)驅動最多7 顆1W的LED 串聯(lián),。由于，外圍電路簡單,， IC 封裝體積小,，可以將恒流驅動和LED 負載整合在一塊鋁基板上，實現(xiàn)驅動,、散熱一體化的模組方案,。

4. 2  實驗波形
通過示波器采樣肖特基二極管兩端的波形，同樣以3 顆LED 負載為例進行采樣,。

圖7  輸入電壓12 V 負載為3 顆LED 串聯(lián)時的波形

從波形圖7 與可見斬波波形沒有毛刺,，因此，諧波含量比較低,，恒流驅動損耗小,。

5  小結

本文通過對各種常用驅動技術進行比較，得出大功率LED 應采用恒流驅動的結論,。并且,，詳細介紹了基于PT4115 的大功率LED 恒流驅動的原理、優(yōu)點、及其電路實現(xiàn),。同時,， 也詳細敘述了在采用PT4115 實現(xiàn)恒流驅動過程中的經驗總結。最后對其實驗結果進行了描述,，證明了該驅動的合理性,、高效性、簡潔性等突出優(yōu)點,。該恒流驅動具有很強的工程實用性,。