一种线性大功率LED驱动电路设计_黄剑平

图３ 线性稳压器驱动 ＬＥＤ 电路
上述２种线性驱动方式是常见的线性 ＬＥＤ 电路，但这 ２种电路中 电 流 调 节 电 阻 与 ＬＥＤ 串 联，会 消 耗 一 定 的 功 率，当电阻温度的升高时，阻值也会 随 之 改变，从 而使 ＬＥＤ 的驱动电流 不 稳 定。 另 外，这 ２ 种 方 法 也 无 法 进 行 调 光。 目前，国 内 大 部 分 的 线 性 驱 动 还 有 采 用 运 放、三 极 管 等 分 立元件搭建，这样不仅电 路 的 体 积 大，而 且 可 靠 性 不 高，成 本也不 低。 使 用 ＬＥＤ 专 用 线 性 驱 动 芯 片 ＮＵＤ４００１ 就 可 以克服上述问题。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｌｉｎｅａｒ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ＬＥＤ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ
Ｈｕａｎｇ Ｊｉａｎｐｉｎｇ Ｓｈｅｎ Ｈａｎｘｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｍｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｍｎｅｎ ３６１０２４，Ｃｈｉｎａ ）
芯 片 ，它 的 输 入 电 压 最 大 可 达３０Ｖ，输 出 最 大 电 流 可 达５００ ｍＡ，静电 防 护 电 压 可 达 １ ０００ Ｖ。ＮＵＤ４００１ 的 内 部 结 构 如图４所示，它通过连接在 第 １ 引 脚 和 第 ３ 引 脚 之 间 的 电 阻 Ｒｅｘｔ来设 置 输 出 电 流 的 大 小 。 ［１１］ 输 出 电 流 Ｉｏｕｔ＝０．７／ Ｒｅｘｔ，从芯片 的 ５～８ 引 脚 同 时 输 出。芯 片 的 第 ２ 引 脚 为 扩 流用。该芯 片 外 围 需 的 元 件 非 常 少，特 别 适 用 于 手 持 设 备 、汽 车 照 明 及 电 路 所 需 空 间 紧 凑 的 场 合 。
１ 引 言
大功率 ＬＥＤ 的出现引 发 了 照 明 革 命。ＬＥＤ 具 有 低 功 耗、高效率、使用寿命长、工 作 电 压 低、光 色 纯、体 积 小 等 优 点 。 ［１－３］ 作为固态光 源，他 越 来 越 具 有 吸 引 力，并 被 迅 速 普 及 。 然 而 ，为 了 有 最 佳 的 工 作 性 能 和 更 长 的 使 用 寿 命 ，ＬＥＤ 的驱动电路至关重要。设计一个可靠、稳定、高效 的驱动电 路成为发挥 ＬＥＤ 众多优势的关键。
图２ 简单线性稳压器的 ＬＥＤ 驱动电路
另 一 种 方 法 是 采 用 可 调 线 性 稳 压 器 如 ＬＭ３１７、 ＬＭ３５０、ＭＣ３３２６９等 驱 动 ＬＥＤ 串，如 图 ３ 所 示。ＬＭ３１７ 的第２引 脚 ＯＵＴ 端 和 第 １ 引 脚 ＡＤＪ端 有 １．２５Ｖ 的 电 压 差，通过调节它们之间的电流检测电阻 Ｒ 就可以设置流过 ＬＥＤ 串的电流，电流为：Ｉ＝１．２５／Ｒ［６］。
２ ＬＥＤ 的特性
的 关 系 有 Ｌ＝ＫＩ，其 中 ，Ｌ 为 亮 度 ，Ｉ 为 ＬＥＤ 正 向 工 作 电 流 ，Ｋ 为 比 例 常 数 。 ［５］ 因 此 可 以 通 过 ＬＥＤ 的 驱 动 电 流 来 控 制 ＬＥＤ 的 发 光 亮 度 。
ＬＥＤ 的正向 驱 动 电 压 和 电 流 呈 指 数 关 系，电 流 模 型 为：ＩＦ ＝Ｉ０ｅＫＶＦ ，其中ＩＦ 为流过ＬＥＤ的正向电流，ＶＦ 为ＬＥＤ 阳极和阴极间的正向电压，ｋ 和Ｉ０ 为 常 数［１０］，如 图 １ 所 示。 当 ＬＥＤ 正向导通后，电压微小的改变都能引起很大的电流 变化，试图通过控 制 ＬＥＤ 电 压 来 控 制 ＬＥＤ 的 发 光 状 态 并 不可取，因此 ＬＥＤ 通常采用恒流电路来驱动。
ＬＥＤ 是 发 光 的 半 导 体 元 件 ，核 心 是 一 个 ＰＮ 节 ，电 流 只 能 正 向 导 通 。 当 对 ＬＥＤ 施 加 正 向 电 压 时 ，电 子 由 ＰＮ 结 的 Ｎ 区 注 入 Ｐ 区 ，空 穴 由 Ｐ 区 注 入 Ｎ 区 ，进 入 对 方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。 因 此 ，流 动 的 少 子 和 多 子 数 量 越 多 ，发 出 的 光 线 越 强 。 即 流 过 ＬＥＤ 的 电 流 越 大 ，ＬＥＤ 发 光 越 强 。ＬＥＤ 的 发 光 强 度 随 流 过 ＬＥＤ 的 电 流 正 向 变 化 ［４］。ＬＥＤ 亮 度 与 电 流
Ｑ１ 为 ＮＰＮ 二极管２Ｎ２２２２，用于驱动电路的 ＰＷＭ 调 光。当 ＰＷＭ 信 号 输 入 为 高 电 平 时，二 极 管 Ｑ１ 导 通，
ＮＵＤ４００１的接地端连接到地，芯片正常工作，向 ＬＥＤ 输出 驱动 电 流；当 ＰＷＭ 信 号 为 低 电 平 时，Ｑ１ 截 止，ＮＵＤ４００１ 的 ＧＮＤ 端连接到高电平，芯片停止工作，ＬＥＤ 的驱动电 流 被关断。通过调整 ＰＷＭ 信 号 单 位 周 期 内 的 导 通 时 间，即 调整占空比就可以控制 ＬＥＤ 的平均驱动 电 流 了。电 阻 Ｒ５ 连接 ＬＥＤ 的输入与地之间，他的作用是，当 ＬＥＤ 迅速关断 时，让电路中电容的电荷从Ｒ５ 迅速放电，避免了 ＬＥＤ 关断 后的余辉效应，使 ＰＷＭ 的调光更准确。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｏｆ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔｉｎｇ．Ａ ＬＥＤ ｌｉｎｅａｒ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｕｓｉｎｇ ＮＵＤ４００１ｃｈｉｐ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｒｉｖｅｓ ｔｈｒｅｅ ２Ｗ ＬＥＤｓ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅａｃｈｅｓ ６００ ｍＡ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＬＥＤ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐａｒｔ ａｎｄ ＰＷＭ ｄｉｍｍｉｎｇ ｐａｒｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｓｏｍｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｇｏｏｄ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｓｔａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｍａｌｌ ｒｉｐｐｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ．Ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍａｎｙ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅ；ＬＥＤ ｌｉｇｈｔｉｎｇ；ｌｉｎｅａｒ ｄｒｉｖｅ
４ 基于 ＮＵＤ４００１的 ＬＥＤ 驱动电Байду номын сангаас设计
４．１ ＮＵＤ４００１ 芯 片 介 绍 ＮＵＤ４００１是安森美公司的线性大功率 ＬＥＤ 恒流驱动
图 ４ ＮＵＤ４００１ 芯 片 内 部 结 构
４．２ 恒 流 驱 动 电 路 设 计 ＮＵＤ４００１的恒流驱动电 路 如 图 ５ 所 示，１２ Ｖ 的 直 流
ＮＥ５５５输出的 ＰＷＭ 信号频率 为 ｆ＝１／（Ｒ６＋Ｒ７）Ｃ３ｌｎ２＝ ２８２．９ Ｈｚ。满足上述要求。
研究与设计
电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
第３７卷 第９期 ２０１４ 年 ９ 月
一种线性大功率 ＬＥＤ 驱动电路设计＊
黄剑平 沈汉鑫
（厦门理工学院 光电与通信工程学院 厦门 ３６１０２４）
摘 要：可靠而稳定的驱动电路 是 ＬＥＤ 照 明 的 关 键。 运 用 ＬＥＤ 线 性 驱 动 芯 片 ＮＵＤ４００１ 设 计 了 ＬＥＤ 线 性 驱 动 电 路。驱动３个２Ｗ 的 ＬＥＤ 发光，驱动电流达６００ｍＡ。分析 了 电 路 的 工 作 原 理，并 重 点 提 出 了 包 括 ＬＥＤ 驱 动 部 分 和 ＰＷＭ 调光部分的详细设计方案。并对电路进行了相关 参 数 的 测 试。结 果 表 明，该 驱 动 电 路 具 有 ＰＷＭ 线 性 度 良 好， 性能稳定，纹波电流小，体积紧凑等优点。适用于各种 ＬＥＤ 照明场合。 关键词：恒流驱动；ＬＥＤ 照明；线性驱动 中 图 分 类 号 ：ＴＭ９２３．０２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 国 家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：５１０．１０１０
电源通过芯片和扩流电路驱动３个标称功率为２Ｗ 的大功 率 ＬＥＤ，驱动电流为６００ ｍＡ。 图 中 Ｒ４ 连 接 ＮＵＤ４００１ 的 Ｖｉｎ和 Ｒｅｘｔ端，用于设置 芯 片 的 输 出 驱 动 电 流。 根 据 芯 片 说 明 Ｒ４＝０．７（Ｖ）÷０．６（Ａ）＝１．１７Ω，这里取１．２Ω。
由于 ＮＵＤ４００１最大输出电流为５００ｍＡ，因此需要增 加扩流电路来增大输出 电 流。Ｄ１、Ｑ２ 和 电 阻 Ｒ３ 组 成 了 扩
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黄剑平 等：一种线性大功率 ＬＥＤ 驱动电路设计
第９期
流电路。此时 ＮＵＤ４００１芯片作为控 制器 控制 流 过大功率 三极管 ＴＩＰ３２ 的 电 流。二 极 管 Ｄ１ 和 电 阻 Ｒ３ 用 于 提 供 三 极管的基极电流，二 极 管 Ｄ１ 上 的 压 降 使 了 三 极 管 的 基 极 和发射极之间有足够大的 导 通 电 压，保 证 三 极 管 工 作 在 导 通状态。三极 管 工 作 时，将 承 担 绝 大 部 分 的 ＬＥＤ 驱 动 电 流 ，需 要 安 装 散 热 片 。
ＰＷＭ 波形频率的 选 取 需 要 折 中 考 虑 ２ 个 方 面，如 果 频率太低，则 人 眼会 感 觉到 ＬＥＤ 灯光的 闪 烁，频 率至少要 大于５０ Ｈｚ；若 频 率 太 高，则 会 对 电 路 产 生 额 外 的 ＥＭＩ干 扰。这里选取 Ｒ６＝１ｋΩ，Ｒ７＝５０ｋΩ，电 容 Ｃ３＝０．１μＦ，
图 ５ ＮＵＤ４００１ 恒 流 驱 动 电 路
４．３ ＰＷＭ 波形发生电路 ＰＷＭ 波形发生电路如图 ６所示。采用常用的定时芯
片 ＮＥ５５５和 外 围 电 路 连 接 成 多 谐 振 荡 器。电 阻 Ｒ６、Ｒ７ 和 电容 Ｃ３ 组成 ＲＣ 充放电回路，电容 Ｃ３ 的 电 压 在 ＮＥ５５５ 的 ２个内部比较 器 的 基 准 电 平 之 间 反 复 振 荡。 从 ＮＥ５５５ 的 第３引脚输出高低电平的方波。由于 ＲＣ 充放电回路中分 别接入了 ２ 个 二 极 管 Ｄ２ 和 Ｄ３，使 得 ＲＣ 充 放 电 电 流 分 别 流过不同的路 径。 通 过 调 节 电 位 器 Ｒ７ 的 阻 值，就 可 以 同 时调整电容 Ｃ３ 的充、放电时间常数，从而调整 ＮＥ５５５输 出 方波的高电平和低电平 时 长，即 调 整 波 形 的 占 空 比。 由 于 电容 Ｃ３ 充放电 电 流 过 的 电 阻 总 阻 值 不 变，因 此 电 路 充 放 电的总时间长度不变，即输出方波的周期不变，为 Ｔ＝（Ｒ６ ＋Ｒ７）Ｃ３ｌｎ２［１２－１３］。