LED溫度保護電路和最基本的照明LED設計方案解析

　　最基礎的LED照明電路原理及其分析：

　　采用AC-DC 電源的LED 照明應用中，電源轉換的構建模塊包括二極管、開(kāi)關(guān)（FET）、電感及電容及電阻等分立元件用于執行各自功能，而脈寬調制（PWM）穩壓器用于控制電源轉換。

　　電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC 電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構，參見(jiàn)圖3，其中反激拓撲結構是功率小于30 W 的中低功率應用的標準選擇，而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言，其尺寸的大小與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，且多數隔離型 LED 驅動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。

　　采用 DC-DC 電源的LED 照明應用中，可以采用的LED 驅動(dòng)方式有電阻型、線(xiàn)性穩壓器及開(kāi)關(guān)穩壓器等，基本的應用示意圖參見(jiàn)圖 4。電阻型驅動(dòng)方式中，調整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅動(dòng)方式易于設計、成本低，且沒(méi)有電磁兼容（EMC）問(wèn)題，劣勢是依賴(lài)于電壓、需要篩選（binning） LED，且能效較低。

　　線(xiàn)性穩壓器同樣易于設計且沒(méi)有EMC 問(wèn)題，還支持電流穩流及過(guò)流保護（fold back），且提供外部電流設定點(diǎn)，不足在于功率耗散問(wèn)題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開(kāi)關(guān)穩壓器通過(guò)PWM 控制模塊不斷控制開(kāi)關(guān)（FET）的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。

　　開(kāi)關(guān)穩壓器具有更高的能效，與電壓無(wú)關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾（EMI）問(wèn)題。LED DC-DC 開(kāi)關(guān)穩壓器常見(jiàn)的拓撲結構包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級電感轉換器（SEPIC）等不同類(lèi)型。

　　其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時(shí)采用降壓結構，如采用24 Vdc 驅動(dòng)6 顆串聯(lián)的LED；與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時(shí)采用升壓結構，如采用12 Vdc 驅動(dòng) 6 顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)可以采用降壓-升壓或SEPIC 結構，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅動(dòng) 4 顆串聯(lián)的LED，但這種結構的成本及能效最不理想。

　　采用交流電源直接驅動(dòng)LED 的方式近年來(lái)也獲得了一定的發(fā)展， 其應用示意圖參見(jiàn)圖5。這種結構中LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在線(xiàn)路電壓大于正向電壓時(shí)才導通。這種結構具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC 轉換所帶來(lái)的功率損耗等。但是，這種結構中LED 在低頻開(kāi)關(guān)，故人眼可能會(huì )察覺(jué)到閃爍現象。此外，在這種設計中還需要加入LED 保護措施，使其免受線(xiàn)路浪涌或瞬態(tài)的影響。

　　LED保護電路設計原理及其思路：

　　 引言

　　隨著(zhù)LED外延材料、芯片工藝及封裝技術(shù)的進(jìn)步，LED的發(fā)光效率不斷提高，這使得LED光源代替傳統光源成為可能。理論上說(shuō)，LED具有壽命長(cháng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但在一些實(shí)際應用中卻給人留下了光衰大、壽命短的印象，這大大影響了半導體照明的普及和推廣。究其原因，主要是LED的驅動(dòng)電源問(wèn)題。

　　LED壽命長(cháng)、效率高是有前提的，即適宜的工作條件。其中影響壽命和發(fā)光效率的主要因素是LED的工作結溫。從主流LED廠(chǎng)家提供的測試數據表明，LED的發(fā)光效率與結溫幾乎成反比，壽命隨著(zhù)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(fā)光效率的關(guān)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(dòng)電源的控制參數是十分必要的。

　　 LED結溫的檢測

　　LED的結溫是指PN結的溫度，實(shí)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(diǎn)，即在結溫升高時(shí)I/V曲線(xiàn)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(xiàn)會(huì )向左平移1.5~4mV，假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會(huì )增加，電流增加只會(huì )使它的結溫升得更高，甚至導致惡性循環(huán)。所以，目前LED驅動(dòng)電源一般設計為恒流供電。

　　根據I/V曲線(xiàn)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(shí)際應用中，往往不需要確定LED結溫的特別精確的數值，此時(shí)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(gè)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(guān)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(diǎn)數據。

　　按上述步驟，對12W筒燈光源進(jìn)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(shí)間較短，可以將測量時(shí)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(guò)數學(xué)方法不難得出光源模塊正向電壓與結溫的關(guān)系。利用ExcEL工具，以溫度為X軸，平均值為Y軸，生成（X，Y）散點(diǎn)圖，選擇線(xiàn)性回歸分析類(lèi)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(jiàn)，一個(gè)由4并6串中功率LED組成的光源，在600mA恒流驅動(dòng)時(shí)其正向電壓與結溫的關(guān)系為：

　　Vf = -0.0207Tj+ 20.332 （1）

　　Tj= 982.22-48.31Vf （2）

　　式中Vf為L(cháng)ED光源的正向壓降，Tj為結溫。需要注意的是，不同廠(chǎng)家不同規格的LED產(chǎn)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(chǎng)家后規格型號需重新試驗。

　　LM3404介紹

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

　　LM3404內置MOS開(kāi)關(guān)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(gè)電感和一個(gè)肖特基二極管；

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

　　DIM:PWM調光輸入端，通過(guò)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(xiàn)控制端，該引腳接地可使芯片停止工作并處于低功耗狀態(tài)；

　　VCC：供電引腳，該端由芯片內部提供一個(gè)7V電壓，應用時(shí)接一個(gè)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(jiǎn)單，一個(gè)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(kāi)關(guān)頻率；L1為輸出電感，可根據設計紋波及開(kāi)關(guān)頻率等參數確定。

　　 基于結溫保護的LED電源設計

　　基于結溫保護的LED驅動(dòng)電路關(guān)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(guān)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(dòng)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(jìn)行濾波。另一方面，當結溫超過(guò)設定值時(shí)的保護措施，如能使光源降低功率工作，整個(gè)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(jìn)行數字濾波，并通過(guò)PWM輸出控制驅動(dòng)調節LED光源功率，可簡(jiǎn)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(xiàn)可編程的單片機，其內置看門(mén)狗、4MHz振蕩器、128字節EEPROM，單字節指令系統，8腳封裝。是一款簡(jiǎn)單實(shí)用的、性?xún)r(jià)比較高的單片機。將LED光源的正向電壓經(jīng)取樣后接入PIC12F675的模擬輸入端，經(jīng)AD轉換、去除粗大誤差、取多個(gè)數據的均值作為結溫判斷依據，輸出PWM信號對恒流驅動(dòng)芯片進(jìn)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(jìn)行開(kāi)路判斷，從而也簡(jiǎn)化了開(kāi)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(diǎn)為80℃左右，根據式（1）得出其光源電壓保護點(diǎn)為18.68V，即光源兩端的電壓低于18.68V時(shí)，LED結溫會(huì )超過(guò)80℃，此時(shí)驅動(dòng)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(jīng)AC/DC轉換輸出24V直流，如為電池供電的應急照明、太陽(yáng)能照明、及車(chē)載照明等應用時(shí)，則該部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7組成典型的恒流驅動(dòng)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(jīng)R5、R6分壓后輸入PIC12F675的模擬端口A(yíng)N2，PIC12F675經(jīng)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(chǎn)生PWM信號，通過(guò)GP4引腳接入LM3404的DIM端對其輸出功率進(jìn)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(shí)可判定輸出開(kāi)路， PIC12F675可輸出低電平關(guān)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(jiàn)圖8.

　　圖8 單片機程序框圖

　　 結語(yǔ)

　　對于由4并6串中功率LED組成的12W筒燈，在采用上述驅動(dòng)方案的試驗中，人為向散熱外殼吹熱風(fēng)或光源與散熱外殼接觸脫離時(shí)，LED光源將迅速變暗，光源基板溫度隨之下降，有效地保護了光源本身。當使燈具恢復正常狀態(tài)后，LED光源亮度也很快恢復正常。

　　實(shí)際應用中，結溫超出設定值的原因很多，如惡劣的環(huán)境、散熱器接觸問(wèn)題、或在強制風(fēng)冷條件下的風(fēng)機停轉等。結溫升高將導致LED光源的正向電壓下降，特別在光源由多個(gè)LED串聯(lián)的情況下，下降幅度十分明顯。

　　通過(guò)檢測LED光源正向電壓的方法，間接測量結溫，并應用單片機調節LED光源的功率，可大大提高整體燈具的可靠性和壽命。此外，基于結溫保護的LED電源由于利用單片機進(jìn)行控制，很容易擴展其它功能。如作為路燈，可通過(guò)編程使后半夜降低功率運行，從而進(jìn)一步節能和延長(cháng)燈具壽命；加入其它傳感器，可實(shí)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(wǎng)絡(luò )等等。