黃劍平，沈漢鑫

(廈門(mén)理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建廈門(mén)361024)

基于NCP3065的LED升壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)*

黃劍平*，沈漢鑫

(廈門(mén)理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建廈門(mén)361024)

高效穩(wěn)定的恒流驅(qū)動(dòng)電路是LED照明工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。應(yīng)用新型驅(qū)動(dòng)器件NCP3065設(shè)計(jì)了一款LED升壓恒流驅(qū)動(dòng)電路。介紹了電路的工作原理和元件參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。所設(shè)計(jì)電路包含DC-DC升壓驅(qū)動(dòng)部分和PWM調(diào)光部分，可以驅(qū)動(dòng)5個(gè)1 W串聯(lián)的LED，驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)16 V，電流達(dá)350 mA。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，電路整體效率高達(dá)87.5%，并且具有調(diào)光線(xiàn)性度好，性能穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種大功率LED的照明應(yīng)用。

LED照明;恒流;升壓驅(qū)動(dòng);PWM調(diào)光

目前，以高亮度LED為光源的綠色照明成為廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，LED的出現(xiàn)使照明技術(shù)進(jìn)入了固態(tài)照明的時(shí)代。LED具有高效率、低功耗、低電壓驅(qū)動(dòng)、使用壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保、體積小等優(yōu)點(diǎn)［1-3］。要發(fā)揮 LED的這些優(yōu)點(diǎn)，需要有高效、穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動(dòng)電路，這也成為L(zhǎng)ED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

1 LED的特性

LED是發(fā)光的半導(dǎo)體元件，核心是一個(gè)PN結(jié)，電流只能正向?qū)āＨ鐖D1所示，當(dāng)對(duì)LED施加正向電壓時(shí)，N區(qū)的電子通過(guò)PN結(jié)注入P區(qū)，同樣P區(qū)的空穴也注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的部分載流子發(fā)生復(fù)合，能量以光子的形式釋放出來(lái)，使LED發(fā)光［8］。因此，載流子越多，即電流越大，釋放出的光子數(shù)也越多。有L=KI，其中，L為L(zhǎng)ED的發(fā)光亮度，I為L(zhǎng)ED正向工作電流，K為比例常數(shù)［7］。因此可通過(guò)控制LED的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)控制LED的亮度。

圖1 LED發(fā)光原理圖

LED的正向驅(qū)動(dòng)電壓和電流呈指數(shù)關(guān)系，電流模型為:I(Vf)=I0ekVf，其中I為流過(guò)LED的電流，Vf為L(zhǎng)ED陽(yáng)極和陰極間的正向電壓，k和 I0為常數(shù)［4］，如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)LED正向?qū)ê螅妷何⑿〉淖兓寄芤鸷艽蟮碾娏髯兓?，試圖通過(guò)控制LED電壓來(lái)控制LED的狀態(tài)并不可取，因此LED通常采用恒流電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。

圖2 LED電壓與電流的關(guān)系曲線(xiàn)

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

輸入電壓為220V市電，要求驅(qū)動(dòng)5個(gè)1 W的LED，串聯(lián)連接，每個(gè)LED的導(dǎo)通電壓約為3.2 V，驅(qū)動(dòng)電流最大為350 mA，且要求亮度可調(diào)。

針對(duì)要求，5個(gè)LED串聯(lián)的導(dǎo)通電壓約為5× 3.2=16 V。這里考慮采用效率高、紋波電流小的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)后續(xù)如果需要增加LED的數(shù)量時(shí)，只需要修改電路的參數(shù)，而無(wú)需改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從LED電壓與電流的關(guān)系圖上看出正向?qū)ǖ那€(xiàn)比較陡峭，直接通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)調(diào)節(jié)亮度比較困難，因此調(diào)光方式選用脈寬調(diào)制，即PWM調(diào)光的方法，即通過(guò)改變LED在單位周期時(shí)間內(nèi)的平均導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)光。

2.2 NCP3065驅(qū)動(dòng)芯片的特性

整個(gè)電路核心的LED驅(qū)動(dòng)芯片選用安森美公司專(zhuān)用于LED照明驅(qū)動(dòng)的NCP3065開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓芯片。該芯片的電壓輸入范圍大，可從3 V到40 V;電流反饋電壓僅為235 mV，能耗小;開(kāi)關(guān)頻率最大可達(dá)250 kHz。它內(nèi)部集成了1.5 A的大功率達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路，無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)MOS管。該芯片還具有過(guò)熱保護(hù)功能，當(dāng)工作溫度超過(guò)165℃時(shí)，內(nèi)部輸出功率管將被關(guān)斷，起到保護(hù)芯片的作用［5］。NCP3065芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中芯片的第1、2引腳連接內(nèi)部的達(dá)林頓功率管的C極和E極。第3腳外接定時(shí)電容，用于設(shè)定芯片工作時(shí)的開(kāi)關(guān)振蕩頻率。第5腳一邊連接內(nèi)部235 mV比較器的負(fù)輸入端，一邊用于連接外部LED電流檢測(cè)電阻，使LED的驅(qū)動(dòng)電流恒定在設(shè)定值。芯片第7引腳為峰值電流監(jiān)測(cè)端，當(dāng)檢測(cè)到電源的峰值電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，芯片將關(guān)斷內(nèi)部達(dá)林頓管的輸出，起到保護(hù)工作電路的作用。

圖3 NCP3065芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電路的供電部分如圖4所示。220 V的市電通過(guò)隔離變壓器降壓得到約為9 V的交流電，通過(guò)4個(gè)二極管組成的橋式整流電路和220 μF大電容的濾波得到直流電流作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的供電電源，這時(shí)輸出約為直流10.8 V。

圖4 輸入橋式整流電路圖

LED升壓驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。電感L1、二極管D1和輸出電容C4、C5組成升壓電路，驅(qū)動(dòng)5個(gè)串聯(lián)的LED。二極管D1選用大電流、低功耗、反向恢復(fù)時(shí)間短、正向?qū)妷簝H為0.6 V的肖特基二極管MBRS140LT3。其平均工作電流達(dá)到1 A，峰值電流可達(dá)到2 A，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由于電路為升壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，為了防止若有LED出現(xiàn)斷路，二極管D1繼續(xù)給輸出電容充電，造成輸出電壓持續(xù)升高，而可能損壞電容元件，在LED的輸出端并聯(lián)了一個(gè)22 V齊納二極管，在LED發(fā)生故障時(shí)通過(guò)22 V齊納二極管來(lái)鉗位輸出電壓。升壓電路工作時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率通過(guò)與芯片第3腳連接的C6設(shè)置。這里C6取值2.2 nF，設(shè)置振蕩頻率約為150 kHz。LED的工作電流通過(guò)與之串聯(lián)的電阻R10檢測(cè)，LED驅(qū)動(dòng)電流在R10上產(chǎn)生的壓降反饋到NCP3065芯片第5腳的COMP端。反饋電壓與芯片內(nèi)部235 mV基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較器的輸出通過(guò)芯片內(nèi)部的RS觸發(fā)器微調(diào)輸出達(dá)林頓管的導(dǎo)通周期，從而使LED的驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定在設(shè)定值。電流檢測(cè)電阻R10的取值為235 mV÷350 mA=0.671 Ω，這里取與之阻值最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻0.665 Ω。

圖5 LED升壓驅(qū)動(dòng)電路圖

峰值電流檢測(cè)電阻連接電源輸入端與芯片第6引腳Ipk端。由于檢測(cè)電流較大，檢測(cè)電阻由6個(gè)電阻并聯(lián)以分擔(dān)總電流。當(dāng)電源電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電流檢測(cè)電阻上的壓降增大到超過(guò)芯片內(nèi)部比較器的基準(zhǔn)值，內(nèi)部比較器將內(nèi)部RS觸發(fā)器置位，使輸出達(dá)林頓管截止，及時(shí)關(guān)斷LED驅(qū)動(dòng)電流，從而保護(hù)整個(gè)電路不被大電流損壞。

2.4 PWM調(diào)光電路設(shè)計(jì)

通過(guò)NCP3065芯片Ipk峰值電流檢測(cè)端的功能可以巧妙地實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。如圖5所示，將一個(gè)開(kāi)關(guān)三極管的集電極與芯片的Ipk端連接，三極管的發(fā)射極接地，三極管的基極輸入PWM信號(hào)。當(dāng)開(kāi)關(guān)三極管的基極輸入PWM信號(hào)的低電平時(shí)，三極管截止，NCP3065驅(qū)動(dòng)芯片正常工作;當(dāng)三極管的基極輸入PWM信號(hào)的高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，Ipk端的電壓被強(qiáng)制拉低，與之相連接的內(nèi)部比較器輸出高電平信號(hào)使芯片的內(nèi)部的RS觸發(fā)器置位，從而強(qiáng)制關(guān)斷輸出功率管，這時(shí)LED沒(méi)有電流流過(guò)。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM高低電平信號(hào)的占空比就能實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光功能。

圖6 PWM信號(hào)發(fā)生電路

使用通用定時(shí)芯片NE555產(chǎn)生PWM調(diào)光信號(hào)。電路如圖6所示，電阻R11、R12和電容C8組成RC充放電電路。電容C8的電壓將在555芯片2個(gè)內(nèi)部比較器的基準(zhǔn)電平之間反復(fù)振蕩。從芯片的第3引腳將輸出高低電平的方波。由于接入了D3和 D4兩個(gè)二極管，電容C8的充電電流和放電電流將流經(jīng)不同的路徑。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器R12的阻值，可以調(diào)整電容C8的充、放電時(shí)間常數(shù)，從而調(diào)整555輸出方波的高電平和低電平時(shí)長(zhǎng)，即調(diào)整波形的占空比。由于電容充電和放電流過(guò)的電阻總阻值不變?yōu)?R11+R12，因此電路充放電的總時(shí)間長(zhǎng)度不變，為T(mén)=(R11+R12)·C8·ln2［6］。

PWM波形的頻率選取需要折衷考慮2個(gè)方面。若頻率太低，則人眼會(huì)感覺(jué)到燈光閃爍;頻率太高，則會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生EMI干擾。NCP3065芯片說(shuō)明書(shū)建議調(diào)光頻率選擇在200 Hz～1 kHz。這里選擇R11=1 kΩ，R12=50 kΩ，電容C8=0.1 μF，則PWM信號(hào)頻率為f=1/(R11+R12)·C8·ln2=282.9 Hz，滿(mǎn)足上述要求。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流100%輸出時(shí)，測(cè)量得到LED驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓為10.8 V，輸入電流為586 mA，LED串兩端的輸出電壓為16.11 V，流過(guò)LED的電流344 mA，計(jì)算得到該驅(qū)動(dòng)電路的工作效率為:87.6%。用示波器觀測(cè)LED的輸出端的紋波電壓幅度約為:500 mV，約占輸出平均電壓的3.1%。

測(cè)試PWM調(diào)光信號(hào)的占空比與輸出電流的關(guān)系如圖7所示，因?yàn)楫?dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)開(kāi)關(guān)三極管導(dǎo)通，NCP3065關(guān)斷電流輸出，所以PWM信號(hào)的占空比與輸出電流呈反比關(guān)系。從圖上看出，PWM信號(hào)的占空比與LED的平均驅(qū)動(dòng)電流基本呈線(xiàn)性關(guān)系，PWM調(diào)光的線(xiàn)性度良好。

圖7 PWM輸出占空比與輸出平均電流關(guān)系圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于NCP3065芯片的LED升壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，包括:升壓電路、PWM調(diào)光電路和相關(guān)保護(hù)電路等。并對(duì)該電路的工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明該電路達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，能夠穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)5個(gè)串聯(lián)的1瓦LED，并有較高的效率和很好的PWM調(diào)光線(xiàn)性度。該電路具有故障保護(hù)功能，當(dāng)外部電路出現(xiàn)電流過(guò)大或溫度過(guò)熱時(shí)，NCP3065芯片能夠及時(shí)關(guān)斷內(nèi)部功率管的輸出，起到保護(hù)整個(gè)電路的作用。本電路經(jīng)過(guò)適當(dāng)改進(jìn)，可用于惡劣的環(huán)境如戶(hù)外照明、建筑物照明、汽車(chē)照明等領(lǐng)域。

［1］ 李慧，吳建德，鄧焰，等.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動(dòng)LM3409HV的LED調(diào)光系統(tǒng)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2011(8):46-49.

［2］ 龍興明，周靜.基于SA7527的LED照明驅(qū)動(dòng)電源的研制［J］.電子器件，2007(3):904-907.

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［4］ Pierret，Robert F.Semiconductor Device Fundamentals［M］.Addison Wesley，1996:361-362.

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［7］ NCP3065芯片資料［EB/OL］.http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=NCP3065.

［8］ 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006: 352-355.

黃劍平(1981- )，男，漢族，碩士，實(shí)驗(yàn)師，福建廈門(mén)人，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，arrowhuang@163.com;

沈漢鑫(1966- )，男，漢族，博士，副教授，福建龍巖人，主要從事電子材料及光電技術(shù)研究工作，2010111001@xmut. edu.cn。

Design of LED Boost Driver Circuit Based on NCP3065*

HUANG Jianping*，SHEN Hanxin

(Department of Photoelectricity and Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamnen Fujian 361024，China)

An effective and stable constant current driving circuit is one of the keys of LED lighting design.A boost circuit used NCP3065 chip is designed.The principle how to work the circuit and detail the calculation process of the elements’parameters is introduced.The circuit includes a DC-DC boost driving part and a PWM dimming part.The circuit can drive five 1 W LEDs connected in series，and its driving voltage is 16 V，driving current 350 mA.The test result shows that the efficiency of the circuit is 87.5%，good linearity and stable，suitable for high power LED lighting applications.

LED lighting;constant current;boost drive;PWM dimming

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.016

TN432

A

1005－9490(2014)02－0245－04

項(xiàng)目來(lái)源:福建省科技廳科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(2012J01238);廈門(mén)理工科研基金項(xiàng)目(XKJJ201103)

2013-05-24修改日期:2013-06-17

EEACC:1200;4200D