本站原创【摘 要】LED是一种发光二极管,它作为第四代照明光源也被称为绿色光源,因它具有节能、环保、体积小、寿命长等特点而被广泛应用于电子设备、普通照明、显示屏等众多领域.而且随着其技术的不断更新,已经开始进入寻常百姓家,大有替代白炽灯甚至节能灯的趋势.本文采用的是恒流驱动电路的解决方案,选择了PT4115的驱动芯片,具有成本低、电路简单、高效的特点,适合LED产品的市场化发展需求.
【关 键 词】LED；照明；驱动电路
面对着全球能源急剧短缺而使忧虑不断增加的大环境下,节约能源成为我们人来未来所要面临的重要问题.在照明领域里,LED发光产品的广泛应用引起了人们的普遍关注.它作为新型的绿色光源产品,它的优势不断呈现,是发展的必然趋势,未来将是以LED为代表的新型照明时代.
1.LED概述
1.1基本概念
LED是一种将电能转化为光能的电子零件,同时它还具备二极体的特性,也就是具有一个正极和一个负极,LED最特别的一个地方是它只有从正极通电才会发光,所以一般地当对它给予直流通电的时候,LED能够稳定地发光,但是当遇上交流电的时候,LED就会闪烁.LED的发光原理是给它外加电压,让电子和电洞在半导体内相结合,然后将能量以光的形式释放出来,使其达到发光的效果,因此LED属于冷性发光.近些年来LED最具吸引力的发展是在蓝光LED上面涂上荧光粉,将蓝光转化为白光的LED产品.
LED是通电的时候发光的半导体材料制成的发光元件,材料使用III-V族化学元素（如：磷化镓(GaP)）等半导体制成,核心为PN结.通常它有P-N结的I-N特性,就是正向时能够导通,反向时就截止,并被击穿.在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴是反向由P区注入N区.进入对方区域的少子的一部分和多子复合而发光.
光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即
λ等于1240/Eg(mm)
上面公式中Eg的单位为伏特,如果产生可见光,半导体材料的Eg应该在3.26~1.63eV范围内.
1.2LED照明的特点
LED具备点光源与固态光源的特性,因此它具有节能、寿命长、安全性好、绿色环保等优点.
(1)耗电量少
LED灯是直流驱动,超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%,如果是白光LED灯的能耗只是普通白炽灯的1/10,节能灯的1/4,在相同亮度下,比传统照明节能80%以上,可省去一半的照明电费.
(2)寿命长
一个LED灯的使用寿命可达5万个小时,比荧光灯的寿命长接近10倍.以每天使用14小时计算,LED灯的使用寿命近10年.它采用固体冷光源和环氧树脂进行封装,不存在灯丝易燃烧、光衰、热沉积这些缺点.
(3)绿色环保
环保效益更佳,光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有辐射,眩光小,而且废弃物可回收,没有污染不含汞元素,冷光源,不会产生电磁干扰,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源.
(4)安全性好
LED灯采用冷光源,无辐射,不含汞、钠等危害健康的物质,可以安全接触.
最大特点：无须暖灯时间.
1.3LED灯的发光效率
荧光灯的发光效率大约在55-80lm/w,有的达到72lm/w,而LED灯的发光效率在100lm/w以上,而且还在不断上升.目前它们的差别接近一倍,随着LED技术的发展可能达到3倍或更高.36W的荧光灯一共发出2592流明,但是荧光灯的光效只有70%,因此流明数仅为1814.4；而LED的光效超过130lm/w,设100lm/w,只要18W就能达到1800流明,因此要相同亮度LED灯只要荧光灯的一半即可（见表1表2）.
2.实现方案
设计思路：要将高压的交流电变换成低压的直流恒流源,才能点亮LED灯.最经济有效的方法是适配器.AC220V由适配器在灯具外的安全降压变换,向LED灯提供稳定的12V直流电源,在灯具底座安装恒流源电压板,将直流电压转换成稳定的直流恒流源,再安装一个开关.
2.1电源控制
图2.1整流稳压电路图
日常的220V电压加在4个二极管组成的单向桥式整流电路之间,220V交流电经过整流后被送到R电阻处,通过R的电路限流,电容进行滤波和稳压管稳压,得到直流的稳定电压,保持后面电路的正常工作.
整流：提高输出电压中的直流成分,降低其中的脉冲成分.
滤波：一方面尽量降低输出电压中的脉动部分,另一方面尽量保留其中的直流成分,使输出电压接近理想的直流电压.
稳压：稳压二极管的特点是击穿后,两端的电压基本保持不变.当把稳压管接入电路后,若电源电压发生波动,或者其他原因造成电路中各点电压变动的时候,负载两端的电压将基本被保持.
2.2驱动电路
2.2.1适配器
要点亮LED光源先要将交流电变换成直流恒流源,经过驱动芯片输出来实现.适配器（Adapter）是既经济又有效的降压和交直流变换的方法.适配器的输出电压在DC12V稳定不变,输出电流根据LED的功率进行选择,1W白光LED的工作电流为350mA,3个LED灯串联需要的电流还是350mA,如果降低光衰和延长LED的寿命,就设计为300mA--330mA,对于LED的发光亮度影响不明显,适配器的输出电流应该选择750mA-1A.
2.2.2驱动芯片
LED的驱动通常分为三种：镇流电阻驱动、恒压驱动和恒流驱动.在选择LED的驱动芯片时,应该考虑集成度高、性能较好、应用电路简单、较低廉又性价比有优势的芯片,本文的设计将采用恒流驱动设计,因此选择了PT4115恒流驱动芯片.PT4115适用于1～6W的白光LED灯驱动时只要四个零件：Cin是输入滤波电容,Rs设定流过LED的电流IF,Rs等于0.1/ILED；L是续流电感,D5是续流二极管.PT4115的开关频率采用抖频技术有效降低EMI,省略了抗EMI电路.
PT4115芯片具有如下的应用特点：
(1)电感越大,工作频率越低,恒流效果越好；
(2)输出电流越大,需要电感值越小,电感选择方便；
(3)输出电压越高,效率越高,3颗1W串联比1颗3W效率高；
(4)系统损耗由Rs损耗(0.1*Iout)、电感DCR损耗(DCR*Iout2)、功率开关导通损耗(Rsw*Iout2)、功率开关开关损耗（正比于开关频率）等主要部分组成；
(5)通常电感越大,功率开关损耗越小,但是DCR会变大,对应电感损耗变大；
(6)反馈电压100mV,Rs损耗业界最小,功率开关导通电阻Rsw为0.6欧姆,也较小,效率高于一般产品；
(7)内部带过温保护功能,外部也可设计过温保护,对LED有着双重保护；
(8)采用SOT89-5封装,热阻仅为45℃/W,散热特性很好.
3.电路设计
3.1工作原理
LED工作的主要参数是VF/IF,其它相关的是颜色/波长/亮度/发光角度/效率/功耗.
LED是一个PN结二极管,只有施加足够的正向电压才能传导电流,VF正向电压是为LED发光建立一个正常的工作状态.IF正向电流是促使LED发光,发光亮度与流过的电流成正比例.LEDVF标称电压：3.4V±0.2V.LEDIF工作电流按应用需要选用,各挡不能混用.
3.2电路组成
图3.2.1中D1-D4组成单相桥式整流电路,将交流电转换成直流电,即不管U1输出什么,经过整流桥后输出的都是直流电,确保PT4115驱动芯片输入稳定的直流电,保证电路正常工作,桥式整流电路二极管一般用1N4007.
C1是滤波电容,把脉冲直流变成平滑的直流.选择型号为100uF/25V的电解电容.
R1是取样电阻,用以控制PT4115输出电流的大小,决定着恒流源的绝对精度.R1的阻值与负载电流大小有关,公式计算为：
R1等于
由于负载是3个串联的1WLED,额定电流为350mA,则采样电阻R1的大小为：
所以R1选择阻值约为0.2857Ω的金属膜电阻.
L是整流电感,是整个电路的关键元件,功能是把100KHz的脉冲电流变成三角波电流,L的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性.PT4115的最佳工作频率在1MHz以下,电感量大了小会影响其工作频率,因此本方案的电感在68uH以上,确保工作频率在1MHz以下.电感量小了,工作频率趋高,由于PT4115内部电流检测电路响应速度限制,对内部电流正常检测出现影响,不能更好的实现对内部开关的导通/关断控制.另外电感量太小还会导致PT4115的SW端烧坏,而无输出.所以此设计中L的电感量应选用68uH—100uH,Q值大于50,饱和电流大于800mA的磁路闭合电感器.
D5是续流二极管,在晶片内部MOS管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路.由于工作在高频脉冲状态,D5应选用正向压降小,恢复速度快的肖特基二极管.
芯片PT4115的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光,也可以接热敏电阻作辅助温度控制和自动亮度控制.由于本设计中不用到调节LED灯亮度,故DIM端悬空如图3.1.2.
如果电灯需要加入过热保护,可以在DIM段加上热敏电阻、NTC或者温度二极管,DIM端的电压由Rup和NTC分压决定,利用模拟调光原理和温度对PN结电流的负反馈实现动态温度控制,实现动态过温保护.
4.结论
本文从半导体照明的基本概念和LED的优点出发,对比了目前常用照明材质的发光效率和电耗；文章确定了恒定电流去驱动方式,设计了一个简单的LED电路,讲述了它的工作原理和电路图；证明了LED技术对照明行业的发展产生的深远影响,是新型的照明产品,将进入千家万户.