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3月17日基于结温保护的LED驱动设计

2012-03-17 10:00:00十环网

 
随着LED外延材料、芯片工艺及封装技术的进步,LED的发光效率不断进步,这使得LED光源代替传统光源成为可能。理论上说,LED具有寿命长、效率高等优点,但在一些实际应用中却给人留下了光衰大、寿命短的印象,这大大影响了半导体照明的普及和推广。究其原因,主要是LED的驱动电源题目。
  
  LED寿命长、效率高是有条件的,即适宜的工作条件。其中影响寿命和发光效率的主要因素是LED的工作结温。从主流LED厂家提供的测试数据表明,LED的发光效率与结温几乎成反比,寿命随着结温升高近乎以指数规律降低。因此,将结温控制在一定范围是确保LED寿命和发光效率的关键。而将结温控制在一定范围的手段除散热措施外,将结温纳进驱动电源的控制参数是十分必要的。
  
  1LED结温的检测
  
  LED的结温是指PN结的温度,实际丈量LED的结温比较困难,但是可以根据LED的温度特性间接丈量。
  
  LED的伏安特性和普通的二极管相似。用于白光照明的蓝光LED典型的伏安特性如图1所示。
  
  图1LED的伏安特性
  
  LED的伏安特性和其它二极管一样具有负温度系数的特点,即在结温升高时I/V曲线出现左移现象,如下图所示。
  
  图2伏安特性的温度特性
  
  一般LED的结温每升高1°C,I/V曲线会向左平移1.5~4mV,假如所加的电压为恒定,那么显然电流会增加,电流增加只会使它的结温升得更高,甚至导致恶性循环。所以,目前LED驱动电源一般设计为恒流供电。
  
  根据I/V曲线随结温升高左移的规律,在恒流供电的情况下,丈量LED的正向电压就可以推算LED结温。
  
  在实际应用中,往往不需要确定LED结温的特别精确的数值,此时可以用试验的方法确定整体灯具LED光源结温的估算数值。以一个12W筒灯为例,光源部分由4并6串中功率LED组成,其电路连接形式如下:
  
  图3LED光源电路连接图
  
  确定正向电压与结温的关系的试验步骤为:1)将光源置进恒温箱中;2)设置恒温箱的温度;3)待恒温箱内温度充分平衡稳定后,在光源两端接进恒流源;4)迅速丈量光源的正向电压并记录;5)重复上述步骤1)~(4),恒温箱温度由低到高,测得多点数据。
  
  按上述步骤,对12W筒灯光源进行三次丈量,数据如下:
  
  表1LED正向压降与结温的丈量数据
  
  由表1可以看出,丈量数据的一致性和规律性很明显。
  
  因测试时间较短,可以将丈量时恒温箱设置温度近似即是LED光源的结温。在600mA恒流的情况下,通过数学方法不难得出光源模块正向电压与结温的关系。利用ExcEL工具,以温度为X轴,均匀值为Y轴,天生(X,Y)散点图,选择线性回回分析类型则可天生如下趋势图和公式。
  
  图4Excel天生的趋势图
  
  由此可见,一个由4并6串中功率LED组成的光源,在600mA恒流驱动时其正向电压与结温的关系为:
  
  Vf=-0.0207Tj+20.332(1)
  
  Tj=982.22-48.31Vf(2)
  
  式中Vf为LED光源的正向压降,Tj为结温。需要留意的是,不同厂家不同规格的LED产品固然都符合上述趋势,但具体数据却有一定的差异,因此更换厂家后规格型号需重新试验。
  
  2LM3404先容
  
  随着LED照明应用的发展,国内外厂家推出了很多用于驱动LED的器件。其中美国国家半导体公司推出的LM3404及系列产品就是一款非常适用于中小功率LED光源的恒流驱动芯片。
  
  LM3404内置MOS开关管,最大输出电流1A,效率高达95%.这款芯片采用8引脚SOIC封装,其中的一条引脚可以利用脉宽调制(PWM)输进信号控制LED的光亮度。
  
  此外,这款芯片可以利用低至0.2V的反馈电压提供电流检测功能。输进电压6~42V,其内部电路结构如图5所示。
  
  图5LM3404内部电路结构图
  
  引脚定义:
  
  SW:内部MOS管输出端,一般需外接一个电感和一个肖特基二极管;
  
  BOOT:内部MOS管启动引脚,一般用一个10nF电容与SW端相连;
  
  DIM:PWM调光输进端,通过输进不同占空比的PWM信号,可调整输出的均匀功率;
  
  GND:接地端;
  
  CS:反馈引脚,用于设置恒流值;
  
  RON:在线控制端,该引脚接地可使芯片停止工作并处于低功耗状态;
  
  VCC:供电引脚,该端由芯片内部提供一个7V电压,应用时接一个滤波电容到地;
  
  VIN:输进端,电压范围6~42V,对于LM3404H范围为6~75V.
  
  LM3404应用十分简单,一个用LM3404的典型应用如图6所示。
  
  图6LM3404典型应用电路图
  
  图中,Rsns为取样电阻,可根据设计恒流值确定;Ron一般选用100k左右的电阻;可决定开关频率;L1为输出电感,可根据设计纹波及开关频率等参数确定。
  
  3基于结温保护的LED电源设计
  
  基于结温保护的LED驱动电路关键在于结温检测和如何保护。根据上述结温与LED正向电压的关系,丈量LED光源的正向电压即可确定结温,但一般LED恒流驱动电路的纹波较大,为避免误保护,检测电路必须要对丈量值进行滤波。另一方面,当结温超过设定值时的保护


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