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�(jié)溫保�(hù)的LED�(qū)�(dòng)�(shè)�(jì)方案

編輯:admin 2014-06-25 14:53:37 瀏覽�1084  �(lái)源:

  LED壽命�(zhǎng)、效率高是有前提的,即適宜的工作條件。其中影響壽命和�(fā)光效率的主要因素是LED的工作結(jié)溫。從主流LED廠家提供的測(cè)試數(shù)�(jù)表明,LED的發(fā)光效率與�(jié)溫幾乎成反比,壽命隨著結(jié)溫升高近乎以指數(shù)�(guī)律降低。因此,將結(jié)溫控制在一定范圍是確保LED壽命和發(fā)光效率的�(guān)鍵。而將�(jié)溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外,將�(jié)溫納入驅(qū)�(dòng)電源的控制參�(shù)是十分必要的�

  1 LED�(jié)溫的檢測(cè)

  LED的結(jié)溫是指PN�(jié)的溫度,�(shí)際測(cè)量LED的結(jié)溫比較困難,但是可以根據(jù)LED的溫度特性間接測(cè)量�

  LED的伏安特性和普通的二極管相似。用于白光照明的�(lán)光LED典型的伏安特性如�1所示�

�1 LED的伏安特�

  LED的伏安特性和其它二極管一樣具有負(fù)溫度系數(shù)的特�(diǎn),即在結(jié)溫升高時(shí)I/V曲線出現(xiàn)左移�(xiàn)象,如下圖所示�

�2 伏安特性的溫度特�

  一般LED的結(jié)溫每升高1°C ,I/V曲線�(huì)向左平移1.5~4mV,假如所加的電壓為恒定,那么顯然電流�(huì)增加,電流增加只�(huì)使它的結(jié)溫升得更高,甚至�(dǎo)致惡性循�(huán)。所以,目前LED�(qū)�(dòng)電源一般設(shè)�(jì)為恒流供電�

  根據(jù)I/V曲線隨結(jié)溫升高左移的�(guī)律,在恒流供電的情況下,�(cè)量LED的正向電壓就可以推算LED�(jié)溫�

  在實(shí)際應(yīng)用中,往往不需要確定LED�(jié)溫的特別精確的數(shù)值,此時(shí)可以用試�(yàn)的方法確定整�燈具LED光源�(jié)溫的估算�(shù)值。以一�(gè)12W筒燈為例,光源部分由4�6串中功率LED組成,其電路連接形式如下�

�3 LED光源電路連接�

  確定正向電壓與結(jié)溫的�(guān)系的試驗(yàn)步驟為:1)將光源置入恒溫箱�;2)�(shè)置恒溫箱的溫�;3)待恒溫箱�(nèi)溫度充分平衡�(wěn)定后,在光源兩端接入恒流�;4)迅速測(cè)量光源的正向電壓并記�;5)重復(fù)上述步驟1)~(4),恒溫箱溫度由低到高,測(cè)得多�(diǎn)�(shù)�(jù)�

  按上述步驟,�(duì)12W筒燈光源�(jìn)行三次測(cè)量,�(shù)�(jù)如下�

  �1 LED正向壓降與結(jié)溫的�(cè)量數(shù)�(jù)

  由表1可以看出,測(cè)量數(shù)�(jù)的一致性和�(guī)律性很明顯�

  因測(cè)試時(shí)間較短,可以將測(cè)量時(shí)恒溫箱設(shè)置溫度近似等于LED光源的結(jié)溫。在600mA恒流的情況下,通過(guò)�(shù)�(xué)方法不難得出光源模塊正向電壓與結(jié)溫的�(guān)系。利用Excel工具,以溫度為X軸,平均值為Y軸,生成(X,Y)散點(diǎn)圖,選擇線性回歸分析類型則可生成如下趨�(shì)圖和公式�

�4 Excel生成的趨�(shì)�

  由此可見,一�(gè)�4�6串中功率LED組成的光源,�600mA恒流�(qū)�(dòng)�(shí)其正向電壓與�(jié)溫的�(guān)系為�

  Vf = -0.0207Tj+ 20.332 (1)

  Tj= 982.22-48.31Vf (2)

  式中Vf為L(zhǎng)ED光源的正向壓降,Tj為結(jié)溫。需要注意的是,不同廠家不同�(guī)格的LED�(chǎn)品雖然都符合上述趨勢(shì),但具體�(shù)�(jù)卻有一定的差異,因此更換廠家后�(guī)格型�(hào)需重新試驗(yàn)�

  2 LM3404介紹

  隨著LED照明�(yīng)用的�(fā)展,�(guó)�(nèi)外廠家推出了很多用于�(qū)�(dòng)LED的器件。其中美�(guó)�(guó)家半�(dǎo)體公司推出的LM3404及系列產(chǎn)品就是一款非常適用于中小功率LED光源的恒流驅(qū)�(dòng)芯片�

  LM3404�(nèi)置MOS開關(guān)管,最大輸出電�1A,效率高達(dá)95%.這款芯片采用8引腳SOIC封裝,其中的一條引腳可以利用脈寬調(diào)�(PWM)輸入信號(hào)控制LED的光亮度�

  此外,這款芯片可以利用低至0.2V的反饋電壓提供電流檢�(cè)功能。輸入電�6~42V,其內(nèi)部電路結(jié)�(gòu)如圖5所示�

�5 LM3404�(nèi)部電路結(jié)�(gòu)�

  引腳定義�

  SW:�(nèi)部MOS管輸出端,一般需外接一�(gè)電感和一�(gè)肖特基二極管;

  BOOT:�(nèi)部MOS管啟�(dòng)引腳,一般用一�(gè)10nF電容與SW端相�;

  DIM:PWM�(diào)光輸入端,通過(guò)輸入不同占空比的PWM信號(hào),可�(diào)整輸出的平均功率;

  GND:接地�;

  CS:反饋引腳,用于設(shè)置恒流�;

  RON:在線控制端,該引腳接地可使芯片停止工作并處于低功耗狀�(tài);

  VCC:供電引腳,該端由芯片�(nèi)部提供一�(gè)7V電壓,應(yīng)用時(shí)接一�(gè)濾波電容到地;

  VIN:輸入端,電壓范圍6~42V,�(duì)于LM3404H范圍�6~75V.

  LM3404�(yīng)用十分簡(jiǎn)單,一�(gè)用LM3404的典型應(yīng)用如�6所示�

�6 LM3404典型�(yīng)用電路圖

  圖中,Rsns為取樣電阻,可根�(jù)�(shè)�(jì)恒流值確�;Ron一般選�100k左右的電�;可決定開�(guān)頻率;L1為輸出電感,可根�(jù)�(shè)�(jì)紋波及開�(guān)頻率等參�(shù)確定�

  3 基于�(jié)溫保�(hù)�LED電源�(shè)�(jì)

  基于�(jié)溫保�(hù)�LED�(qū)�(dòng)電路�(guān)鍵在于結(jié)溫檢�(cè)和如何保�(hù)。根�(jù)上述�(jié)溫與LED正向電壓的關(guān)系,�(cè)量LED光源的正向電壓即可確定結(jié)溫,但一般LED恒流�(qū)�(dòng)電路的紋波較大,為避免誤保護(hù),檢�(cè)電路必須要對(duì)�(cè)量值�(jìn)行濾泀另一方面,當(dāng)�(jié)溫超�(guò)�(shè)定值時(shí)的保�(hù)措施,如能使光源降低功率工作,整�(gè)燈具降級(jí)�(yùn)行,是較為合理的方案。采用帶模擬輸入的低功耗的單片�(jī),可以對(duì)檢測(cè)�(shù)�(jù)�(jìn)行數(shù)字濾波,并通過(guò)PWM輸出控制�(qū)�(dòng)�(diào)節(jié)LED光源功率,可�(jiǎn)化檢�(cè)電路和控制電路的�(shè)�(jì)�

  Microchip公司PIC12F675具有可編程的4通道模擬量輸入�10位分辨率模數(shù)�(zhuǎn)換的低功耗在線可編程的單片機(jī),其�(nèi)置看門狗�4MHz振蕩器�128字節(jié)EEPROM,單字節(jié)指令系統(tǒng)�8腳封裝。是一款簡(jiǎn)單實(shí)用的、性價(jià)比較高的單片�(jī)。將LED光源的正向電壓經(jīng)取樣后接入PIC12F675的模擬輸入端,經(jīng)AD�(zhuǎn)換、去除粗大誤差、取多�(gè)�(shù)�(jù)的均值作為結(jié)溫判斷依�(jù),輸出PWM信號(hào)�(duì)恒流�(qū)�(dòng)芯片�(jìn)行控制,以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的效果�

  此外,根�(jù)�(cè)量值還可以�(jìn)行開路判斷,從而也�(jiǎn)化了開路保護(hù)電路�

  仍以光源部分�4�6串中功率LED芯片組成的筒燈為例,�(shè)�(jì)恒流值為600mA,�(jié)溫保�(hù)�(diǎn)�80℃左右,根據(jù)�(1)得出其光源電壓保�(hù)�(diǎn)�18.68V,即光源兩端的電壓低于18.68V�(shí),LED�(jié)溫會(huì)超過(guò)80℃,此時(shí)�(qū)�(dòng)�(yīng)采取保護(hù)措施。由LM3404和PIC12F675組成的基于結(jié)溫保�(hù)的LED電源電路原理圖如�7所示�

�7 基于�(jié)溫保�(hù)的LED電源電原理圖

  原理圖中,CX1、L1、L2組成輸入EMC濾波電路,經(jīng)AC/DC�(zhuǎn)換輸�24V直流,如為電池供電的�(yīng)急照明�太陽(yáng)能照明、及車載照明等應(yīng)用時(shí),則該部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7組成典型的恒流驅(qū)�(dòng)電路,對(duì)�4�6串的LED中功率芯片組成的光源模塊,取樣電阻為0.39Ω。R2、R3、R4與LM431組成�(wěn)壓電路,為PIC12F675提供�(wěn)定的5V電源和內(nèi)部AD�(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)�

  LM3404的輸出經(jīng)R5、R6分壓后輸入PIC12F675的模擬端口AN2,PIC12F675�(jīng)�(nèi)部AD�(zhuǎn)換、計(jì)算獲取LED光源的正向電壓,根據(jù)�(shè)定值程序產(chǎn)生PWM信號(hào),通過(guò)GP4引腳接入LM3404的DIM端對(duì)其輸出功率�(jìn)行調(diào)整�

  PIC12F675初始�(shè)置GP4輸出高電平,如測(cè)得LED正向電壓在合理范圍內(nèi),則維持高電平輸出使LM3404正常工作;如LED正向電壓逐漸變低并低于設(shè)定�18.68V,則在GP4引腳輸出PWM信號(hào),其占空比可依次降低,直至LED正向電壓低于�(shè)定值。當(dāng)�(cè)得LED正向電壓很高�(shí)可判定輸出開路, PIC12F675可輸出低電平�(guān)閉LM3404的輸出�

  需要指出的是,輸出電壓取樣包含了用于LM3404恒流控制的電流取樣電壓約0.23V,在PIC12F675的計(jì)算程序中�(yīng)予以�(diào)整�

  PIC12F675的程序框圖見�8.

�8 單片�(jī)程序框圖

  4 �(jié)�(yǔ)

  基于�(jié)溫保�(hù)的LED電源由于利用單片�(jī)�(jìn)行控制,很容易擴(kuò)展其它功能。如作為路燈,可通過(guò)編程使后半夜降低功率�(yùn)行,從而�(jìn)一步節(jié)能和延長(zhǎng)燈具壽命;加入其它傳感器,可實(shí)�(xiàn)按需照明;加入�(yuǎn)程通訊模塊,可以使燈具組成智能控制�(wǎng)�(luò)等等�

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