大功率LED的驱动电路设计（PT4115应用）
摘要：LED（light emitting diode）即发光二极管，是一种用途非常广泛的固体发光光源，一种可以将电能转化为光能的电子器件。由于LED 具有节能、环保、使用寿命非常长，LED元件的体积非常小，LED的发出的光线能量集中度很高，LED的发光指向性非常强，LED使用低压直流电即可驱动，显色性高（不会对人的眼睛造成伤害）等优点，LED被广泛应用在背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。而且随着LED研发技术的不断突破，高亮度、超高亮度、大功率的LED相继问世，特别是白光LED的发光效率已经超过了常用的白炽灯，正朝着常照明应用的方向发展，大有取代传统的白炽灯甚至节能灯的趋势。 本论文主要介绍采用恒流驱动方式实现驱动电路，并且提出一种基于恒流驱动芯片PT4115的高效率的大功率LED恒流驱动解决方案。该种驱动电路简单、高效、成本低，适合当今太阳能产品的市场化发展。。
关键词：大功率LED ；驱动电路；恒流驱动芯片PT4115
一、LED 主要性能指标：
1）LED的颜色：目前LED的颜色主要有红色,绿色,蓝色,青色,黄色,白色,暖白,琥珀色等其它的颜色；
2）LED的电流：一般小功率的LED的正向极限电流多在20mA。但大功率LED的功率至少在1W以上，目前比较常见的有1W、3W、5W、8W和10W。1W LED的额定电流为350mA,3W LED的750mA。
3）LED的正向电压：LED的正极接电源正极,负极接电源负极。一般1W的大功率LED的正向电压为3.5V~3.8V。
4）LED的反向电压：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏 LED发光强度：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)，单位为坎德拉（cd）。
5）LED光通量：光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。单位为流明(lm)。如1W 大功率LED的光通量一般为60~80LM。
6）LED光照度：1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度.，单位为勒克斯(lx)。
7）LED显色性：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度。 8）LED的使用寿命：LED一般可以使用50,000小时以上。
9）LED发光角度：二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制。
二、大功率LED的驱动方式：
LED驱动简单的来讲就是给LED提供正常工作条件(包括电压,电流等条件)的一种电路,也是LED能工作必不可少的条件,好的驱动电路还能随时保护LED，避免LED被损坏。 LED驱动通常分为以下三种方式：
(1) 镇流电阻驱动：就是简单的的在LED的回路中串接电阻,通过调节电阻的阻值,可以改变LED的驱动电流.。 R+ LED的工作电流为： I?U?UL RU-ULLED所以I与镇流电阻R成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED 的允许范围。此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED 范围，所以不选这种方案。
(2) 恒压驱动：就是保持LED两端的电压不变，因为每一种颜色的LED的电压都不一样,所以很少用恒压的方式来驱动LED。 (3) 恒流驱动：顾名思异就是保持LED的电流一直不变,让LED在恒定电流的条件下工作。 由于大功率LED是低电压、大电流的驱动器件，当LED电压变化很少时，电流变化很大。LED发光的强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。如果采用恒压方式驱动，LED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化。由温度或电压变化引起的特定压变，导致正向电流降低，正向电压变化11％会导致更大的正向电流变化，达30％。电流的变化较大，使LED的亮度不能恒定。所以一般都选择恒流驱动IC。
三、恒流驱动方式电路
LED驱动电路除了要满足安全要求外，还应具备两个基本功能：一是尽可能保持恒流特性，又使其在电源电压发生的变动时，仍应能保持输出的电流在的范围内变动；二是应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率保持在较高水平。随着更新一代大功率LED所需的驱动电流的增加，要更多的考虑到LED本身和电流驱动电路的散热管理和功耗等问题。本设计框图如下所示： 3个1W 恒流 市电(AC220V) 适配器降压 LED 驱动芯片 串 联 （1）适配器的选择：
本设计首先要将高压的交流电变换成低压的直流恒流源，然后经过驱动芯片输出恒流才能点亮LED 光源。最经济有效的方法降压和进行交直流变换是使用当今便携式电子产品使用交流电源的交直流降压变换器--适配器（Adapter），既经济实惠、又现成、又好用。适配器的输出电压要求稳定在DC12V，适配器的输出电流要根据LED 的光源的功率来选择，一般要给予30%的余量，1W的白光LED 的标准工作电流应为350mA，因而3 个LED 光源串联其电路需要的电流也是350mA，考虑到延长LED 寿命和
降低光衰，可以设计为300mA--330mA，不会明显的影响LED 发光的亮度，所以适配器的输出电流应选750mA~1A 的。
（2）驱动芯片：由于本设计采用恒流驱动方式，所以驱动芯片可以选择PT4115恒流驱动芯片，PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，适合绿色照明LED灯的驱动电路。它具有较宽的直流8V到30V输入电压范围,击穿电压大于45V，输出200~1200mA恒定直流，可满足驱动点亮1~7颗串联的大功率LED或N颗串并联的小功率LED,驱动恒流大小可按应用方案设定.。PT4115采用频率抖动技术有效地改善EMI；采用从满量程向下到零的PWM调光；安全可靠，调光比可达5000:1；采用SOT89-5的封装，芯片的管芯可通过直接连通到封装外的金属板散热；导热十分有效；PT4115内部设置了过温保护功能，以保证系统稳定可靠的工作。当IC芯片温度超出160℃,IC即会进入过温保护状态并停止电流输出,而当温度低于140℃时,IC即会重新恢复至工作状态。PT4115可利用模拟调光的原理以及温度对LED电流的负反馈实现LED灯具动态温度控制,只要在调光端(DIM端)加一热敏电阻或PN结即可。加上整流桥PT4115可应用于交流12V、24V供电的LED灯具。PT4115
的工作效率高达97%,是真正的绿色驱动IC，PT4115被广泛应用于使用LED灯的MR11、MR16、水灯、路灯等各类LED灯具。PT4115主要参数如下： ? 输入范围从8V到30V，击穿电压>45V ? 输出电流高达1.2A，内置大功率MOFET ? 效率高达97％ ? 超低的关断电流 ? ± 5％输出电流精度 ? LED开路保护
? 模拟PWM调光功能选择，高达5000:1的PWM调光比 ? 内部含有抖频特性，有效地改善了EMI
恒流驱动芯片PT4115的5脚封装的管脚图如右图所示，其管脚描述如下： 管脚1：SW，功率开关的漏端； 管脚2：GND，信号和功率；
管脚3：DIM，开关使能、模拟和PWM 调光端；
管脚4：CSN，电流采样端，采样电阻接在CSN和VIN端之间； 管脚5：VIN，电源输入端，必须就近接旁路电容。 (3)大功率LED：可以选择1W白光LED，其参数如下： ? 功 率 ：1W
? 光 通 量：20-30LM ? 顺向电压：3.5-3.8V ? 额定电流：350mA
? 光 衰 ：≤5%每千小时光衰。 ? 角 度 ：120度
四、设计电路原理图如下：
原理图器件说明：
D1~D4组成单相桥式整流电路，将交流变成直流，即不管U1输出的是直流还是交流，经过这个整流桥之后输出的电流总是直流的，给驱动芯片PT4115输入稳定的直流，保证电路正常工作，桥式整流电路二极管常用1N4007。
C1是滤波电容，把脉冲直流变换成平滑的直流。应选电解电容，型号为100uF/25V。 R1是取样电阻，控制PT4115输出电流的大小，它决定恒流源的绝对精度。R1的阻值与负载电流大小有关，一般用下面公式计算：
R1?0.1 ILED由于负载是3个串联的1W LED，额定电流为350mA，则采样电阻R1的大小为： R1?0.1?0.2857? 0.35所以R1可以选择阻值约为0.2857欧姆的金属膜电阻。
L是整流电感，是这个电路中的关键元件，功能是把100KHz的脉冲电流变换成三角波电流，L的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。因为PT4115 的设计最佳工作频率在1MHz 以下，电感量大了小会影响其工作频率，本方案的电感设计在68uH 以上，这样系统工作频率可以控制到1MHz 以下。电感量小了，工作频率趋高，由于PT4115内部电流检测电路响应速度限制，对内部电流正常检测出现影响，不能更好的实现对内部开关的导通/关断控制。另外电感量太小还会导致PT4115的SW 端烧坏，而无输出。所以此设计中L的电感量应选用68uH—100uH，Q值大于50，饱和电流大于800mA 的磁路闭合电感器。 D5是续流二极管，在晶片内部MOS管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路。由于工作在高频脉冲状态，D5应选用正向压降小，恢复速度快的肖特基二极管。 芯片PT4115的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻作辅助温度控制和自动亮度控制。由于本设计中不用到调节LED灯亮度，故DIM端悬空。 五、PT4115的动态温度调节和过温保护
PT4115具有动态温度调节的功能，并且可以在此功能的基础上实现过温保护。动态温度调节的电路图如下左图所示。从图中可见，DIM端内部是一个1M的上拉电阻，连接到内部5V电源上。所以DIM端电压由内部上拉电阻和热敏电阻NTC分压决定。从热敏电阻的特性可以知道，温度的变化会影响NTC的阻值，进而影响DIM端电压，以实现PT4115的动态温度调节。
过温保护的实现从如下右图中可见，相对于左图多了一个三极管，当温度升高时。NTC电阻的阻值减小，其上的分压也减小，则相应的其下面电阻上的分压升高，当超过三极管的开通电压时，三极管导通，DIM端接地，关断LED电流，当温度降低时，PT4115重启，因此实现了PT41 15的过温保护。
六、设计总结：
本设计论文从LED的特性和驱动方式出发，论述了LED的各种驱动方式，并以流过LED的电流恒定为基本目的，设计了一个简单的LED驱动电路。在整个设计中，首先阐述了该驱动电路的基本原理，给出了理论依据。然后根据功能需要设计了一个驱动3?1W的LED驱动电路，并针对应用特点提出了设计中还存在的不足，用实验的方法论证了方案的可行性。在LED光源的设计中，考虑各种因素，成功的完成了用LED光源代替传统的光源，使光源兼有节能、环保、长寿和美观等特点。以下是设计中需要注意的问题：
1、驱动芯片PT4115是40V的CMOS工艺制造的，电子功率器件要安全可靠地工作，必须要留有足够的冗余度，这样才有利于器件的散热，所以输入电压最好在12V左右； 2. PT4115内部自带过温保护功能，外部过温保护可设，对LED实现双重保护；
3.PT4115可利用模拟调光的原理以及温度对LED电流的负反馈实现LED灯具动态温度控制，只要在调光端（DIM）加一热敏电阻或PN结即可实现PWM调光，但PWM 调光有其劣势，主要反映在PWM调光很容易使得白光LED的驱动电路产生人耳听得见的噪声，所以本设计中没有设计PWM调光。
3.驱动3个1W的LED灯比只驱动一个3W的LED灯的发光效率更高。
4.在以市电为输入电源的LED驱动方案中，有隔离型与非隔离型两种驱动方案，隔离型驱动安全但效率较低，非隔离型驱动效率较高。
5. 交流12V整流管和续流二极管一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功耗； 6. PT4115利用频抖技术较好地改善了EMI。频率抖动技术(Frequency JiRer)是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI问题的新方法。频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄带变为宽带的方式来降低EMI，来减小电磁干扰的方法。频率抖动技术通过扩展电源噪声频谱的方式降低了窄带EMI，频率抖动应不超过基本频率的20％至30％。
大功率LED的驱动电路设计(PT4115应用)(精)
