摘要：在當今這個能源短缺的時代，如何能夠更好地節(jié)能，是科研工作要實現(xiàn)的主要目標。眾所周知，LED在照明領域對比其它照明技術具有高效節(jié)能的特點。隨著LED照明技術的不斷發(fā)展，LED已經(jīng)從普通的LED逐漸向大功率LED發(fā)展了。這將促進LED照明技術進入人們的日常照明中，也加速了LED取代其它照明產(chǎn)品的進程。但是，目前大功率LED要推廣到日常照明領域，還受到了LED驅動技術的限制。

本文針對大功率LED驅動技術進行了深入的研究。闡述了研究大功率LED驅動的必要性及目的。詳細地介紹了LED驅動方式的原理及性能，提出了自己的設計方案，即以美國的Supertex公司生產(chǎn)的HV9910B芯片為核心的大功率LED驅動控制設計方案。對于這個方案的電路設計主要包括兩部分：電源前級整流濾波電路和芯片外圍的驅動電路的設計，詳細地針對它們的原理進行分析，并對驅動設計中所涉及的各個關鍵元器件進行參數(shù)配置，同時又對本文設計的大功率LED驅動的性能進行了分析，最終完成了對大功率LED驅動的設計。

1引言

隨著科學技術的發(fā)展，人類照明從光火照明、白熾燈照明、熒光燈照明，一直到現(xiàn)在半導體固體照明的出現(xiàn)，照明技術有了較大的發(fā)展。其實，照明技術的發(fā)展，就是人類一直提高照明效率的過程。因為火光的光譜大部分位于可見光光譜范圍之外，另外它燃燒所產(chǎn)生的能量大約90％均轉化成了熱能，所以光火照明的效率非常低，此外化學燃料的燃燒大多會產(chǎn)生對環(huán)境有污染的氣體，因此人們便開始尋找和開發(fā)發(fā)光效率更高的照明器件。作為最新興起的第四代照明技術，半導體固體照明技術被認為是繼熒光燈照明之后，人類照明史上的又一次歷史性飛越。半導體技術的逐步完善也是經(jīng)歷了較長的一段時間。

隨著LED技術的發(fā)展，LED已經(jīng)從最初應用于數(shù)碼手表、指示燈以及計算器顯示屏等對亮度要求不高的場合，到現(xiàn)在已經(jīng)被應用與超亮度的大功率LED日常照明領域。伴隨著LED效率的不斷提高、加工成本的不斷下降，大功率LED的產(chǎn)生使LED向普通照明領域擴展。大功率LED即功率大于1W的LED，與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，有如下優(yōu)點：(1)節(jié)能；(2)光色純；(3)壽命長；(4)可靠、耐用；(5)應用靈活；(6)響應快；(7)控制靈活

作為一個新興的技術領域，大功率LED與傳統(tǒng)照明光源相比雖然有很多優(yōu)勢，但是要真正實現(xiàn)用大功率LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源，還存在著很多需要解決的技術難題。由于LED的伏安特性及溫度特性，使得大功率LED需要直流的低電壓驅動，所以傳統(tǒng)上鎢絲燈泡、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源的驅動并不適合直接驅動大功率LED，因此需要專門為大功率LED設計合適的驅動。通常大功率LED的亮度與通過它的電流成正比，但是它在大電流下會出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象，發(fā)光效率會出現(xiàn)大幅度地降低，甚至失效。因此大功率LED使用電流不能超過它的額定值。另外，LED亮度輸出與溫度成反比，所以使用中應盡量減少發(fā)熱和設計良好的散熱系統(tǒng)。此外現(xiàn)在普遍使用的白熾燈、熒光燈和高強度放電燈的成本都比較低，大功率LED只有大幅降低自身的生產(chǎn)成本才有可能取代這些傳統(tǒng)光源，而大功率LED的生產(chǎn)成本主要取決于芯片本身以及驅動電源的價值。

綜上所述，在大功率LED逐步成為新一代光源的同時，LED驅動的品質將直接制約大功率LED的產(chǎn)品可靠性，同時也將決定著大功率LED在實際應用中能否長壽高效。為了實現(xiàn)真正意義上的半導體照明，根據(jù)市場需求，設計出性能優(yōu)良的大功率LED驅動電路，是具有很大的經(jīng)濟價值和實用意義的。

2大功率LED驅動分析

隨著大功率LED技術的逐漸提高，LED的應用變得越來越廣泛。但是目前在大功率LED的應用過程中，對LED驅動技術也提出了很高的要求。本章針對目前上市場的主流大功率LED驅動方案進行了比較性分析。主要的驅動方案包括線性驅動、開關型驅動以及恒流驅動三種。

線性驅動的優(yōu)點是電路設計簡單，成本較低，需要的元器件數(shù)目比較少，但是，它的能量轉化率低，不能很好的實現(xiàn)節(jié)能的目的，散熱量很大，電壓易出現(xiàn)波動，這使得LED的亮度會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這就使這種線性驅動方式不適合日常照明的應用。

開關型驅動通過利用開關管的導通與截止的占空比來控制輸出電壓，因此具有極高的能量轉化效率，在實際應用中可以達到80％以上。另外，與線性驅動相比，開關型驅動在電壓的穩(wěn)定性、工作效率、電路體積等方面都有比較顯著的改善，而且具有相對較低的成本，此外，它還具有降壓式、升壓式以及降壓-升壓式三種結構，應用比較靈活。但是，這種開關型驅動在驅動LED的工作原理上和線性驅動方式是一樣的，因此同樣不符合LED的非線性伏—安特性的要求，所以仍然存在大功率LED串聯(lián)并聯(lián)發(fā)光亮度不一致和發(fā)光亮度不穩(wěn)定的問題。

恒流源驅動電路由于采用了恒流控制芯片，具有電流控制精度高、結構比較簡單、較高的可靠性等優(yōu)點。但是，它同時也存在著一些的不足：首先，由于恒流源驅動要求電源電壓和電路中的大功率LED負載的個數(shù)以及工作電壓要做到嚴格匹配，不允許出現(xiàn)大范圍的改變，所以可知恒流源驅動對于電源的電壓和大功率LED負載變化的適應能力較差。此外，由于電路中采用了集成的恒流控制芯片大多在工作中消耗很多功率，因此它的發(fā)熱量也就比較大，尤其是當芯片的工作電壓差別過大時，發(fā)熱現(xiàn)象就很嚴重了，以至于要額外加散熱器，這就增加了功率損耗，降低了效率。

基于以上比較分析，本文采用市場上集成的恒流控制芯片，這使大功率LED恒流源驅動的方案常采用的是驅動的前端采用開關電源來穩(wěn)壓輸出，后端再利用恒流控制芯片進行恒流設計。利用線性恒流芯片驅動電路是恒流源驅動中最簡單、最直接的驅動方式。

線性恒流芯片的核心是利用集成在芯片中的功率三極管工作在線性區(qū)，可以作為可變電阻來控制負載，使流經(jīng)大功率LED的電流維持在一個比較穩(wěn)定的值。

本文所選用的線性恒流源驅動是采用數(shù)能科技公司生產(chǎn)的NU511集成驅動芯片。NU511是一款單通道漏極開路的LED線性恒流驅動芯片，最高驅動電流可達1.2A，最大支持1MHZ的PWM調光控制。NU511可以被用于0.5W到3W的大功率LED驅動。在大功率LED的照明應用中，NU511電壓范圍比較寬的特性，可以使它在不確定的供電系統(tǒng)中穩(wěn)定地工作。當電源的電壓出現(xiàn)波動時，NU511輸出的電流仍然可以保持恒定，也就使整個LED照明電路的電流保持不變，也就達到了恒流的目的。

如圖1所示，采用NU511的線性恒流源驅動的外圍電路只用三個器件就可以，包括串聯(lián)電阻Rs、電流調節(jié)電阻Rf和抗干擾消振電容C。根據(jù)NU511電流的設定值和外接電阻的關系，照明系統(tǒng)中所要求的恒流值I可以根據(jù)電流調節(jié)電阻RF的值來確定，如式(1)所示：

（1）

其中，K為常數(shù)。

圖1NU511恒流驅動電路

在電流值已經(jīng)確定了的情況下，NU511的輸出電壓會隨著電源電壓的增大而增大，因此NU511芯片消耗的功率將會增大，產(chǎn)生的熱量也會增多。為了減少NU511的功耗，增加驅動電路的效率，就須要降低輸出電壓。為了解決這個問題，我們在電路中添加了一個功率電阻Rs來分擔NU511芯片的功耗，減少芯片產(chǎn)生的熱量。另外，為了減少在負載上的電壓出現(xiàn)波動，我們選擇了適當?shù)碾娙軨來提高系統(tǒng)的效率。

此外，對于市電驅動來說，還需要在前級加入開關電源電路，給恒流控制芯片提供電源。

由上面的分析我們可以看出來基于線性恒流芯片的驅動電路結構比較簡單、所用的元器件少、成本也比較低，另外由于采用了恒流控制芯片，這種恒流源驅動方式具有控制精度高、可靠性高等優(yōu)點。

3大功率LED驅動控制設計方案

本文綜合前幾章對大功率LED驅動各個方面的分析，設計了一款基于降壓變換器的LED控制電路。為了減少大功率LED電壓和輸入電壓的波動對于大功率LED電流的影響，本文對于峰值電流控制的降壓變換器采取了反饋控制，并且選用合理的降壓變換器，使它的效率可以達到90%。

3.1驅動控制器HV9910B介紹

為了更好地推廣LED的應用，各個公司對于LED驅動的進行了各種產(chǎn)品設計。美國的Supertex公司是LED是目前推出最多的高壓LED恒流直驅IC企業(yè)之一，首先在2005年推出了HV9921/22/23系列，它可以驅動市電供電的小功率LED，HV9921/22/23系列的驅動電流在20～50mA的范圍內(nèi)。隨著大功率LED的產(chǎn)生，HV9921/22/23系列已經(jīng)不能滿足驅動的需要，因此Supertex公司又開發(fā)出了大功率LED驅動控制器HV9910，它可以用于市電供電，并且可以輸出1A的恒定驅動電流。之后又在2007年推出了HV9910B型號的驅動控制器，即HV9910的改進型。它的產(chǎn)生對于大功率LED的推廣應用起到了積極地推動作用。下面我們將詳細地介紹一下HV9910B芯片。

Supertex公司設計的HV9910B芯片是一種通用的LED驅動控制器。它可以應用在DC/DC或AC/DC的大功率LED驅動器、恒流源、RGB背光LED驅動、平板顯示器背光驅動、充電器以及LED裝飾燈或者信號燈。

HV9910B芯片既可以給市電交流供電，也可以用于12～24V或者48V的太陽能電池或直流蓄電池供電；HV9910B輸入的直流電壓范圍是8～450V，范圍極寬；它輸出的恒流驅動電流可以從幾十毫安到一安以上，也具有極寬的范圍，這使得它既可以驅動驅動大功率LED，也可以驅動小功率LED，驅動數(shù)量可以達到上百個LED，輸出的功率也可以從幾到幾十瓦；另外它的應用很靈活，不但可以組成降壓式架構，也可以組成升/降壓式結構，這樣就能滿足各種不同的需求。

HV9910B芯片可以通過軟件編程實現(xiàn)關斷時間模式或者恒定電源模式，屬于LED開環(huán)電流控制驅動集成芯片。HV9910B芯片內(nèi)包含一個線性穩(wěn)壓器，可以將輸入電壓調節(jié)為7.5V，實現(xiàn)芯片的內(nèi)部供電，而它所能承受的輸入電壓可以低至8V高至450V，使它能夠在不需要額外的低壓電源。此外，HV9910B不需要任何附加電路就可以直接驅動外部MOSFET。

另外HV9910B很容易實現(xiàn)PWM調光能夠允許占空比從0到100%，頻率可達幾千赫茲，也可以實現(xiàn)零到250毫伏的線性調光，它的內(nèi)部結構圖如圖2所示。其中：

圖2HV9910B的電路原理圖

VIN是工作電壓的輸入端；

GND是接地端；

VDD是內(nèi)部7.5V穩(wěn)壓電源輸出端，，需要連接一個低等效阻抗的電容在它和接地端之間，通常這個電容要大于0.1微法；

LD是調光輸入端，用來調整LED的亮度；

GATE與MOSFET開關的柵極相連；

PWM_D是PWM調光的使能端，也是輸入端，當PWM_D上加載低電平時，MOSFET關斷，沒有輸出，而當PWM_D上加載高電平時，GATE輸出高電平，MOSFET導通；

CS是檢測端，外接電流采樣電阻RCS；

Rosc是用來設置振蕩頻率的，外接工作頻率設定電阻Rosc，當工作在關斷時間恒定的模式下，Rosc的另一端與GATE相連，當工作在頻率恒定的模式下，Rosc另一端與地相連[37]。

由圖2可以看出，HV9910B具有兩個電流采樣閥值電壓，一個是LD引腳的外部電壓，另一個是的250mV內(nèi)部電壓。在實際應用中，我們通常選擇這兩個電壓中比較低的一個，因為較低的采樣電壓意味著檢測電流的電阻也就相應的變小，這樣效率就會變得更高。由分析可知，Supertex公司的HV9910B芯片是一款專門用于LED驅動設計的集成芯片，使用它可以設計出一個更加高效、簡單的大功率LED驅動。

3.2硬件電路設計方案

本文設計以HV9910B芯片為核心的大功率LED驅動控制系統(tǒng)，主要由EMI濾波、整流濾波電路、HV9910B芯片及其外部電路組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖中，電源經(jīng)過整流濾波變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓，提供給大功率LED；再配合HV9910B芯片，實現(xiàn)整個驅動過程。

圖3基本電路框圖

輸入級電路由全橋整流電路、熱敏電阻和一個濾波電容組成的。它的功能主要是完成對220V交流電的整流濾波?？刂齐娐凡糠质且訦V9910B芯片為核心，電路的輸入電壓是由經(jīng)過輸入級電路濾波后的電壓提供給芯片的，具體電路圖如圖4所示。為了保證VDD、PWM_D和LD引腳電壓的穩(wěn)定，須要把各個引腳通過電容接地?？刂崎_關管的開關信號是由GATE引腳產(chǎn)生的一定頻率的方波脈沖信號提供的，而它的脈沖寬度是CS引腳接的采樣電阻Rcs反饋的大功率LED電流信號決定的，Rosc引腳所接的電阻決定了脈沖的頻率。電路中的電感L為驅動電路提供儲能、濾波以及持續(xù)的供電，使負載中的電流保持均衡性。電感L對于電路是起著十分關鍵的作用的。

圖4電路原理圖

整個供電過程基本上是這樣的：當開關信號處于關斷狀態(tài)的半個周期時，電路是由輸入二極管、充電后的電感L以及大功率LED所組成的回路供電的；當開關信號處于開通狀態(tài)的半個周期時，電路則是由前級濾波電路向大功率LED負載直接供電的。通過這種方式，我們就可以實現(xiàn)在一個周期內(nèi)提供給大功率LED的持續(xù)驅動。

3.3整流濾波電路設計

本文的整流電路是由濾波器和橋式整流電路組成的。其中，濾波器主要是由熱敏電阻和兩個電容構成，熱敏電阻主要是用來限制浪涌電流的，而電解電容是用來穩(wěn)壓的，另外一個鍍金屬聚丙烯電容則是輔助電解電容吸收高頻波紋電流的。

本文采用了橋式整流電路作為整流電路的核心部分，利用二極管的單向導通性，將交流電轉化為直流電。這種橋式整流電路是在全波整流電路的基礎上產(chǎn)生的。全波整流電路具有很高的整流效率，但是它也存在著缺點。全波整流電路要求每個整流二極管承受的最大反向電壓很高，這就對二極管本身的性能有了很高的要求。

而橋式整流電路通過增加兩個二極管，使電路不但具有很高的整流效率，而還對比全波整流電路降低了對整流二極管的要求，橋式整流的具體電路圖如5所示。

圖5橋式整流電路

橋式整流電路采用四個二極管兩兩對接的方式。當輸入為正弦波的正半周期時，整流二極管VD2和VD4上加載的是反向電壓，所以VD2和VD4處于截止狀態(tài)，而VD1和VD3上加載的是正向的電壓，所以VD1和VD3導通，在輸出端可以得到正向輸出；同理當輸入為正弦波的負半周期時，整流二極管VD1和VD3上加載的是反向電壓，所以VD1和VD3處于截止狀態(tài)，而整流二極管VD2和VD4上加載的是正向的電壓，所以VD2和VD4導通，在輸出端可以得到與正弦波負半周期反向的電壓，也就是正向電壓。

由以上分析可以得到，重復這兩個過程后，得到的都是正弦波的正向部分。根據(jù)上述過程，可以得出橋式整流電路中的整流二極管承受的電壓值是全波整流電路的二分之一。

4電路參數(shù)設計

在確定好整個電路的設計方案后，就要對整個電路中的不同元器件的參數(shù)進行設定，這對電路設計能否實現(xiàn)既定要求是起著決定性作用的。

首先，我們要根據(jù)HV9910B的芯片手冊確定電路的開關頻率fs，因為電路工作的開關頻率決定了電感L的大小，開關頻率越高則電感的尺寸越小，反之，開關頻率越低則電感的尺寸越大。而電感越大電路中開關的損耗也將隨之增大。面對這種矛盾，本文采取折中手段，選擇開關頻率fs為80kHz。根據(jù)芯片手冊可以得出，在開關頻率為80kHz時，電阻Rosc的值應為470kΩ。

接下來要對輸入二極管D進行選擇。二極管的選擇主要是針對它的額定電壓值和額定電流值進行考慮，而二極管的額定電壓值是由輸入到二極管的最大電壓值決定的。通常對于二極管的選擇是以50%作為安全裕量來考慮的，乘以1.5，由此可知：

(2)

二極管的額定電流值則主要由HV9910B輸出的最大平均電流決定的，指的是最小輸入電壓和最大輸出功率時的電流。最小輸入電壓Vdcmin一定要大于大功率LED兩端電壓的一半，因為只有這樣才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，

(3)

(4)

由上式可知，需要選擇額定電壓為600V，額定電流為1A的二極管。

電路圖中的熱敏電阻是用來限制浪涌電流的，因此在交流電處于峰值時，熱敏電阻要限制的電流要高于5倍的穩(wěn)態(tài)電流，這樣我們可以根據(jù)下式計算出熱敏電阻在常溫25℃的值。

(5)

在實際應用中，可以選擇120Ω額定電流為1A的熱敏電阻就可以達到使用要求。

在電路圖中，全橋整流電路輸出端所接的電容C1應該按照下式計算：

(6)

即，而根據(jù)電容的額定電壓要大于輸入電壓的峰值可知，

(7)

因此，電容C1可以選用33μF的額定電壓為450伏的電解電容。電解電容具有很好的穩(wěn)壓效果，但是它的等效串聯(lián)電阻比較大，所以再在電解電容C1兩端并聯(lián)一個鍍金屬聚丙烯電容C2，更好地吸收高頻電流。它的電容值可以根據(jù)下式計算：

(8)

即鍍金屬聚丙烯電容C2為0.33μF，額定電壓為400V，它可以使電路板上的高頻環(huán)流出現(xiàn)的范圍變小。

當場效管的柵極用高頻脈沖充電時，C3起到了維持芯片內(nèi)部電源電壓穩(wěn)定的作用。本文選取2.2μF，額定電壓為16V的電容作為C3。柵極的電流是隨著開關頻率的改變而改變的。在開關過程中，為了使芯片內(nèi)部的壓降不會出現(xiàn)欠壓退出，輸入電源引腳的電壓要設置的高一些。

采樣電阻R的值應該按照下式計算：

(9)

U為內(nèi)部的閥值電壓，等于0.25V或者用LD引腳的電壓值來計算，得出的值為0.625Ω。

電感L在開關關斷期間為大功率LED提供能量，根據(jù)公式可知，，其中dt是關斷時間，也就說，而di是波紋電流，令總波紋為30%，則di等于I_omaxX0.3，也就是說：

(10)

由此可知，L應該選用4.7mH的電感。上面已經(jīng)提到，電感的增大，將會增加開關的損耗。

對于開關管的選取，本文是靠開關管的峰值電壓和電流的最大有效值選取的。而開關管的額定電壓值是由輸入電壓的最大值決定的。通常是以50%作為安全裕量來考慮的，因此乘以1.5，經(jīng)計算可知VFET為562V。而開關管的電流的最大有效值是由最大占空比決定的，本文中的為50%。通常開關管的額定電流是電流額定值的三倍，而電流額定值為0.247A，所以最終選擇的開關管是額定電流為1A，額定電壓為600V的型號為STD2NM60的場效應管。它在占空比為50%的情況下產(chǎn)生極少的損耗，大約是171mW。

5電路性能分析

在本文所設計的大功率LED驅動控制系統(tǒng)中，采用了一個外部開關和電感來減小LED驅動器的損耗。電路中的具體功率損耗主要由開采樣電阻、開關管、二極管、與大功率LED相連的電感L以及芯片HV9910B本身產(chǎn)生的。而根據(jù)元器件的參數(shù)可知，它們在電路中所消耗的功率是比較小的。這使得整個電路的工作效率比較高，大約可以達到85%以上。

另外，在驅動原理上，本文電路的設計采用了峰值電流模式PWM控制技術，即PWM開關電路的原理上，設計出了以美國的Supertex公司生產(chǎn)的HV9910B集成芯片為核心的PWM方式開關電路，這種方式可以很好地完成對大功率LED的照明驅動。通過深入地分析可以得出，這種電路的工作電壓范圍寬、轉換效率比較高、能夠保證恒流輸出。通過對電路進行濾波，電路的輸出電流變得更加平穩(wěn)，也就是說電流的紋波變得比較小，更利于LED能夠正常發(fā)光。

通過電路分析可知，本文設計的大功率LED驅動控制方案符合大功率LED的伏安特性曲線，即非線性特性，這就減少了電壓的波動對電流造成的影響，也就解決了串聯(lián)的大功率LED在發(fā)光過程中亮度不穩(wěn)定的問題。此外由于系統(tǒng)只需要比較少的元器件數(shù)量，就可以實現(xiàn)驅動的目的，所以降低了整個驅動系統(tǒng)的成本和設計的復雜程度，進而也提高了使用中的可靠性。

綜上所述，這種以集成芯片HV9910為核心的大功率LED驅動設計方案在能量的損耗、設計成本、設計的復雜度以及電流精度控制等方面都有了比較顯著的改善。

6結論

大功率LED作為一種新型的節(jié)能照明技術，對于照明領域未來的發(fā)展起了積極地推動作用。在大功率LED推廣過程中，LED的驅動技術限制了它在市電輸入的日常照明領域的應用。設計了一款市電輸入的大功率LED驅動。設計的驅動主要以美國的Supertex公司生產(chǎn)的HV9910B芯片為核心，前端電源輸入設計采用了全橋整流電路，與HV9910B合作為大功率LED提供了穩(wěn)定的電源驅動。為了實現(xiàn)高性能的驅動，本課題對驅動設計中所涉及的各個關鍵元器件進行參數(shù)配置，同時又對本文設計的大功率LED驅動的性能進行了分析，實現(xiàn)了大功率LED驅動的設計。

應用Supertex公司生產(chǎn)的HV9910B芯片設計出一款性能良好的大功率LED驅動，為今后大功率LED逐步取代現(xiàn)有的照明技術提供了良好的技術支持。

參考文獻

[1]LED照明現(xiàn)狀與未來展望[M]．中國照明電器．2007(06)：20-24．

[2]方佩敏．LED的發(fā)展概況[J]．今日電子，2006，8：37-38．

[3]楊光．照明級白光LED的性能與應用[J]．光源與照明，2007(01)：4-6．

[4]王雅芳．大功率LED照明電路特性與驅動設計．水利科技．2008，3．

[6]姜春玲，封百濤．一種大功率LED驅動電路的設計與研究[C]．2010全國照明LED驅動與電源技術研討會．2010：114-115．