詳解大功率藍光LED光源驅動電路設計方案

2020-12-06 電子產品世界

　　譽為「綠色照明」的半導體（LED）照明技術發展迅猛，LED具有功耗低、使用壽命長、尺寸小、綠色環保等優點。通過對高強度藍光LED的不斷研發產生了好幾代亮度越來越高的器件，在1990年左右推出的基於碳化矽裸片材料的LED的效率大約是0．04lm／W，發出的光強度很少有超過15 mcd的。20世紀90年代中期出現了第一個基於GaN的實用LED。現在還有許多公司在用不同的基底（如藍寶石和碳化矽）生產GaN LED，這些LED能夠發出綠色、藍色或紫羅蘭等顏色的光。高亮度藍色LED的發明使真彩廣告顯示屏的實現成為可能，這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動的視頻圖像。隨著技術的不斷進步，目前能生產功率高達100 W，光通量可達2 000 lm大功率高亮度的藍光LED。因此它作為一種有著廣

　　泛應用前景的技術，有必要對其做深入的研究。水下成像系統是建立在海水對藍綠光（480～540 nm）低損耗窗口的基礎上所建立的一種的水下成像系統。它不但能用於普通水中，而且能用於渾濁水中，甚至在漆黑的海底也能進行觀察。本文主要是基於大功率藍光LED水下成像系統的研究。大功率藍光LED（≥50 W）光源驅動電路是基於大功率藍光LED的水下成像系統的研究與分析的重要組成部分。

　　1 基本原理和電路設計

　　對水下成像系統而言，光源的選擇至關重要，光源的穩定性、均勻性、響應速度及其光波波長範圍是系統成像的關鍵。採用藍光LED所發出光光經過水介質——目標反射——水介質——接收光學系統，最終在成像傳感器（CCD，ICCD）上成像。這就決定了LED必須工作在快脈衝驅動方式下，目前市場上的驅動電路一般均丁作在慢脈衝驅動模式（μs量級），遠不能滿足我們的要求。因此，我們必須自己解決快脈衝驅動電路這一難題，尤其是實現以ns量級的大功率快脈衝來驅動大功率的LED。基於這種實驗實際需求，我們研究開發了此種快脈衝驅動電路。該電路的基本功能是產生低頻、快速、大功率驅動電流脈衝信號，輸出脈衝的頻率與周期精確度高，穩定性好，脈衝信號寬度在20～100 ns內分5檔可調，輸出在50 Hz的基準頻率下工作。脈衝信號通過驅動電路，輸出一個快脈衝信號驅動輸出電流開關，產生一個大電流脈衝信號驅動一個大功率LED。為了達到設計要求和目的，我們採用晶振電路產生高精度頻率／周期基準脈衝作為內置信號源，通過對基準脈衝進行多次分頻，產生所需頻率的輸出脈衝信號，這樣可以獲得頻率穩定的脈衝信號，同時實現了頻率選擇。經過分頻後的脈衝信號再經過脈衝寬度成形電路實現脈寬調節，然後經過電流開關電路，產生大電流脈衝，使LED發光。該驅動電路主要由以下幾個部分組成：信號源、分頻電路、頻率選擇、脈衝寬度電路、TTL輸出、驅動電路和電流開關電路。其框圖如圖1所示。

　　

圖1 電路結構原理框圖

　　2 主要單元電路與原理

　　如前所述，該電路主要由信號源電路、分頻電路、頻率選擇、脈衝寬度成形電路、驅動電路、大功率電流開關等單元電路組成。內置的信號源產生的信號經過分頻、脈寬成形之後，送入驅動電路產生驅動信號，驅動大功率電流開關控制大功率藍光LED光源電路工作。同步的TTL輸出信號可作為檢測信號或其他電路的觸發與驅動信號。

　　2．1 信號源電路

　　用石英晶體與非對稱式多諧振蕩器的耦合電容串連起來，就可以組成石英晶體多諧振蕩器，該電路的振蕩頻率取決於石英晶體的固有頻率f0，與外接電阻參數無關，耦合電容起到微調與補償振蕩頻率的作用。我們採用固有頻率f0為10 MHz的石英晶體構成內置信號源，其輸出脈衝的頻率／周期精確度高，穩定性好。

　　2．2 分頻電路和脈衝成形電路

　　由晶振電路我們得到10MHz的脈衝信號，進行5次10分頻和一次2分頻就得到了我們所需要的50Hz基準脈衝。所有的分頻都是由10進位計數器74HC390來完成。成形電路採用DS1040-100可編程脈衝信號成形器件，該集成電路有一個輸入端，和兩個極性相反的輸出端，頻率選擇電路將頻率為50 Hz輸出信號送入DS1040的輸入端，輸出脈衝信號的寬度是由DS1040-100上的3個控制端（P0、P1、P2）來控制的。通過設置撥碼開關選擇，選擇20、40、60、80、100ns等5種不同寬度的脈衝信號，成形信號穩定性好，滿足水下成像系統的需要。

　　2．3 驅動電路

　　基於IRIS4011的電路由輸入保護電路，EMI抑制電路，輸入整流濾波電路，直流變換電路，輸出濾波電路，輔助供電電路，二次恆壓／恆流反饋電路組成。輸入電壓：85～264 VAC；輸入頻率47～63 Hz；輸出電壓5～24 VDC；輸出電流2．5 A；恆流精度±2．5％；最大輸出功率：60 W。利用變壓器的電感與瓷片電容實現準諧振工作模式，電路簡單，可靠性高。準諧振控制模式，能提高電路的轉換效率，降低EMI幹擾。用放大器來實現恆壓、恆流控制，可以得到很高的控制精度。在輸出電流比較大的電路中，必須用放大器控制形式才能提高控制精度與提高電路轉換效率。限於篇幅，把電路圖分成2部分，具體的電路如圖2所示。

　　

　　圖2 驅動電源電路

　　2．4 輸出電流開關電路

　　通過成形電路的信號，控制大功率藍光LED發光，驅動信號控制電流開關。電流開關選用一種大功率高頻三極體，為了滿足LED驅動電流的需求，將4隻三極體並聯，使流過LED的脈衝電流最大達到2．5 A，保證了LED在額定功率下工作，達到穩定光源的目的。在輸入驅動信號的作用下，三極體進入導通狀態，LED兩端產生一定的壓降，大電流流過LED，使大功率藍光LED發光，作為距離選通水下成像系統的光源，電路如圖3所示。

　　

　　圖3 電流開關電路

　　3 結論

　　水下成像系統是基於大功率藍光LED光源主動照明和CCD技術相結合，通過調節光束的發散角來照射水下目標場景，將目標全部或目標的關鍵特徵部位照亮，實現對水下目標的成像。而大功率藍光LED光源的驅動電路是成像系統關鍵技術之一。本文設計的大功率藍光LED光源驅動電路已通過測試，已經應用於成像系統的實驗。通過對內置脈衝發生器輸出信號、LED驅動電路信號的測試，表明光源驅動電路各項性能

　　達到實驗要求：經實驗現場進行驗證，電源驅動電路工作穩定，滿足水下成像系統對光源的要求。大功率藍光LED光源的驅動電路在設計上採用晶振電路構成內置信號源，保證了所產生的脈衝信號的頻率精確度和穩定度。頻率選擇通過面板的手動開關進行設置，並聯使用大功率的高速三極體，解決了大功率藍光LED光源高速驅動的問題。
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