关于大功率LED恒流驱动电路的研究

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【摘要】恒流源驱动电路的主要优点就是工作状态稳定、工作效率较高，本文主要介绍一种基于XL6005芯片大功率LED的驱动电路，本驱动电路具有体积小、电路简单、输出功率高等特点，是一种比较理想的LED驱动电路。

关键词： LED；恒流驱动；大功率

中图分类号: TN43文献标识码：A

引言

LED（light emitting diode）即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。利用固体半导体晶片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED作为一种新的照明用光源,正在逐渐得到大规模和大范围的应用；预计在未来几年内，LED灯将可能逐渐进入家庭照明，室内外照明等领域，成为一种重要的照明光源；具有节能、环保、寿命长、体积小、亮度高、成本低等特点，这些优异特性也符合现在低碳、环保的大趋势，LED已经被迅速的应用于各种背光、广告灯、幕墙、路灯、节能灯、车灯等领域。

1 LED驱动电路的研究

LED大规模的使用，其驱动电路也层出不穷, LED驱动电路的选择除了要满足安全要求外，另外的基本功能应有两个方面：一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15％的变动时，应仍能保持输出电流在±10％的范围内变动。二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED系统的效率保持在较高水平。根据能量来源的不同，LED驱动电路总体上可分为两类，一是AC/ DC转换，能量来自交流市电，二是DC/ DC转换，能量来自直流电源。根据LED驱动原理的不同，又可以分为线性驱动电路和开关驱动电路。而理想的LED驱动电路应该具有以下特点：LED亮度不因输入电压变化而改变；LED工作状态不因环境温度变化而改变。由于LED本身内阻已经确定，那么亮度及色温与所提供电压有着直接的关系，电压一旦有波动，必将造成工作状态不稳，忽暗忽亮的现象产生，尤其功率越大，这种现象就会越加严重。大功率LED的发光强度是由流过LED 的电流决定的，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响发光强度，因此LED驱动需要提供恒流电源，以保证大功率的安全性，还需要满足预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性，亮度会随工作电流的增大而增大，为保证流过每只LED的电流相同，就必须串联使用, 串联使用使得LED点阵所需电源电压高, 一般小型产品电源电压比较低, 高电压电源要求使得LED的应用受到了限制。所以，合理的设计升压电路来驱动LED, 是LED能够得到广泛应用的关键。

根据LED电流、电压变化特点，采用恒压驱动LED是可行的，而且在某些产品的应用上精确设计，其优势仍然是其它驱动方式无法取代的。但是，采用恒流驱动方式，仍然是比较理想的LED驱动方式，它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED的亮度稳定。因此众多厂家选用恒流方式驱动LED。其实每种驱动方式均有优、缺点，根据LED产品的要求、应用场合的不同，应该合理选用LED的驱动方式，精确的设计驱动电源。

传统上用于驱动灯泡、日光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率LED。多种LED恒流驱动的电路实验证明，并不是所有的恒流源都能够作为理想的LED驱动电路，很多恒流源电路试验后也会出现不同的问题，需要反复的推敲、研究，下面就一种恒流源电路加以论述。

2 LED驱动电路的实现

大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、3W、5W、8W 和10W甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。由于目前大功率LED在光通量、转换效率和成本等方面的制约，决定了大功率LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明。而通常LED工作方式都是多个发光管同时工作，以产生足够亮度的光源。要求设计驱动电路：LED功率为1W，LED的工作方式为每三个串联组成一组，之后再并联，形成LED的工作矩阵。

电路的核心器件选用上海芯龙半导体公司生产的XL6005恒流驱动升压变换器，该芯片的电路应用简单，外部元器件比较少，故障点少，成本低。XL6005为升压型驱动芯片，封装形式为TO-252-5L ,引脚说明为VIN：电源电压输入；FB：调整端；EN：芯片使能端，控制芯片输出，低电平有效。芯片的特点为5V-32V范围的宽输入电压，输出最高可升压到42V，驱动功率为16W，开关频率为180HZ，参考电压可低至0.2V，可以有效的提高系统的效率，同时FB脚可实现PWM调光。

电路如图1所示。在此电路中，鉴于LED领域的系统需求，内部除了常规的限流电路，过温度保护，开路保护外，还内置了专用LED的恒流，通过电阻RCS电阻测量LED电流，并实现电流模式控制。在正常工作情况，LED电流由0.22V 的PWM控制器内部参考电压除以RCS电阻值所决定。即：I=0.22V/RCS，因为RCS 两端的电压降在正常工作条件下将一直保持在0.22V，过压保护是芯片内置开路保护，保护电压52V 左右，芯片外部通过电阻R1和DS2 测量输出电压并实现电压模式控制，实现二次开路保护，一般过压保护设置为比正常输出电压高20%。

图1XL6005实现的LED驱动电路

在芯片正常工作的时候，恒流起作用；当恒流这一路出现问题，过压保护钳位输出电压，使LED不会承受较大功率而烧毁。此工作电路，电压输入范围较广，可以介于DC5V-DC32V之间。表1中的数据为实际测量的不同输入电压情况下的输出的电流值及电压值。

表1实际测量电路的工作参数

输入电压 输出电压 输出电流

6.5V 10.5V 1.25A

7V 10.5V 1.25A

7.5V 10.4V 1.24A

8V 10.4V 1.24A

8.5V 10.4V 1.24A

理论上认为，输出电流能达到I=0.22V/RCS=0.22/0.1375=1.6A，而从实验证明实际输出电流经测量基本在1.25A左右，并且，不会随着输入电压的高低变化而引起输出电流的变化，即恒流效果较好。考虑电路的热效率，此时的散热片面积要不小于50mm×50mm，来满足温度参数要求。

结论

随着大功率LED的越来越广泛的应用到各个领域，LED驱动电路的设计也越来越重要。从以上设计电路实验得出，对于这种大功率LED工作的场所，采用恒流驱动电路来满足LED的工作要求，既考虑了升降压、隔离、恒流等问题，又考虑了过温、过流保护及散热等问题。本文重点探讨了XL6005芯片应用电路，其电路简单，既可以节约能源，又可以实现功能，是一种很实用的驱动电路。另外，在很多大功率LED的驱动中，驱动模块并联实现功率增大的方法也经常被采用，即在以上基本电路的基础上，还可以加以扩展其功能：两个或多个模块并联，这就能够得到不同大小的恒定输出电流。

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