基於PT4115的大功率LED恆流驅動的設計方案

2020-11-22 電子產品世界

　　光伏發電行業作為一種新興行業，其發展具有突飛猛進的趨勢。光伏照明是光伏產業中的支柱產業。由於光伏電池所發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。但是，LED 的高效節能的優點要想保證的話，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。並且提出一種基於PT4115 的高效率的大功率LED 恆流驅動解決方案。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後。可近似的認為其正向電壓VF和正向電流IF 成比例關係。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，可以得出對於LED 應該採用恆流驅動，防止流過LED 電流的極大波動，影響LED 的使用壽命。因此，不管是交流恆流驅動還是直流恆流驅動，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 電阻鎮流驅動

圖2 採用鎮流電阻驅動的原理圖

　　從圖2 中可見，採用電阻鎮流的驅動方式就是在LED 燈串上串聯上鎮流電阻。通過鎮流電阻降低在LED 燈串上的電壓，防止LED 過壓被擊穿。鎮流電阻的驅動方式實際上就是通常所說的恆壓驅動方式。該種驅動方式雖然簡單，但是在鎮流電阻上會有損耗，並且，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，已經隨著技術的發展，逐漸被取代。

　　2. 2 PWM恆壓驅動方式

　　眾所周之，PWM驅動方式本身具有驅動效率高的優點。因此，採用PWM 恆壓驅動方式具有效率高，驅動電路簡單的優勢。但是，鎮流電阻這種恆驅動方式，已經不適合當今光伏照明的簡潔、高效的趨勢。因此，PWM恆壓IC 隨之出現。

圖3 恆壓驅動原理

　　對於採用恆壓驅動（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 發生短路故障，則這個輸出的恆壓壓降將全部降在其它LED 兩端，則剩餘的每顆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 值也會發生變化，一般不適合併聯設計。但是有些情況又不得不並聯解決多顆LED 驅動成本問題，就像小功率LED 如果每一路採用一個恆流源會大大增加驅動成本，因此，就必須採用多組LED 燈串並聯，而採用恆壓驅動的方式進行驅動。

　　因此， 即使採用恆壓驅動的方式， 也要選擇PWM恆壓驅動IC ,提高驅動效率。

　　迫於小功率LED 要想實現和大功率相同的照度，所需數量大，如果每路驅動使用一個恆流驅動，將大大增加驅動成本，鑑於此問題，小功率LED 適合採用恆壓驅動方式。

2. 3 恆流驅動技術

　　對於恆流驅動實際上很大程度上是結合PWM恆壓驅動高效率的特點，對其進行改造以最簡單的方法實現恆流。

　　對於PWM恆壓IC 內置一個基準電壓，通過採樣反饋端FB 端電壓和內置電壓比較，以控制PWM輸出佔空比，以實現恆壓驅動。

　　要進行恆流控制就要在斬波輸出端串聯一個小電阻，採樣其對地電壓，然後對其進行放大並反饋到恆壓控制端，以進行恆流控制。由於採樣電阻串聯在輸出迴路裡，要降低落在電阻上的功耗，就要儘量減小電阻的阻值，通常選0. 1 Ω電阻。

　　採用恆流驅動，必須每一路LED 燈串有一個恆流源驅動。當燈串中單顆LED 發生短路故障時，由於輸出電流不變，因此，並不影響其它LED 的光效，採用恆流驅動能大大提高LED 的使用壽命。

　　3 基於PT4115 的恆流驅動技術

　　3. 1 PT4115 晶片簡介

　　1） 極少的外部原件

　　2） 很寬的電壓輸入範圍：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） 輸出可調的恆流控制方法

　　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

　　對於PT4115 （見圖4） 即可以應用於12~18 V 的交流，也可應用在8 V~30 V 的直流。因此，應用範圍更加廣泛。並且，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 恆流原理

　　保持採樣端（CSN） 輸入電壓值為IC 內部設定值相對於VIN 電壓值不變即可實現恆流。因為：

　　式中：

　　ILED ---流過L ED 的電流；

　　VCSN ---電壓檢測端電壓；

　　RS ---電流採樣電阻。

　　從式（1） 可見，只要保證採樣端電壓相對於輸入端電壓不變，就能使流過LED 的電流恆定。

　　3. 4 PT4115 調光措施

　　PT4115 採用PWM 調光措施，當DIM 引腳電壓低於0. 3 V 時關斷LED 電流，高於2. 5 V 時開啟LED 電流。

　　PWM調光措施相對於傳統的線性調光，不影響LED 的光效。PWM 調光的基本原理是保持LED 正嚮導通電流恆定，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 調光的優勢是LED 正嚮導通的電流一直是恆定的，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） 是一種從分散諧波幹擾能量著手解決EMI 問題的新方法。頻率抖動技術是指開關電源的工作頻率並非固定不變，而是周期性地由窄帶變為寬帶的方式來降低EMI ,來減小電磁幹擾的方法。

　　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.對於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。為了將升壓電感儘可能的保持較

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