引言
壽命長、效率高是有前提的，即適宜的工作條件。其中影響壽命和發(fā)光效率的主要因素是LED的工作結(jié)溫。從主流LED廠家提供的測試數(shù)據(jù)表明，LED的發(fā)光效率與結(jié)溫幾乎成反比，壽命隨著結(jié)溫升高近乎以指數(shù)規(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)光效率的關(guān)鍵。而將結(jié)溫控制在一定范圍的手段除散熱措施外，將結(jié)溫納入驅(qū)動電源的控制參數(shù)是十分必要的。
1 LED結(jié)溫的檢測
LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度，實際測量LED的結(jié)溫比較困難，但是可以根據(jù)LED的溫度特性間接測量。
LED的伏安特性和普通的二極管相似。用于白光的藍(lán)光LED典型的伏安特性如圖1所示。
圖1 LED的伏安特性
LED的伏安特性和其它二極管一樣具有負(fù)溫度系數(shù)的特點，即在結(jié)溫升高時I/V曲線出現(xiàn)左移現(xiàn)象，如下圖所示。
圖2 伏安特性的溫度特性
一般LED的結(jié)溫每升高1°C ,I/V曲線會向左平移1.5~4mV,假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會增加，電流增加只會使它的結(jié)溫升得更高，甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)。所以，目前一般設(shè)計為恒流供電。
根據(jù)I/V曲線隨結(jié)溫升高左移的規(guī)律，在恒流供電的情況下，測量LED的正向電壓就可以推算LED結(jié)溫。
在實際應(yīng)用中，往往不需要確定LED結(jié)溫的特別精確的數(shù)值，此時可以用試驗的方法確定整體結(jié)溫的估算數(shù)值。以一個12W為例，光源部分由4并6串中功率LED組成，其電路連接形式如下：
圖3 LED光源電路連接圖
確定正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系的試驗步驟為：1)將光源置入恒溫箱中;2)設(shè)置恒溫箱的溫度;3)待恒溫箱內(nèi)溫度充分平衡穩(wěn)定后，在光源兩端接入恒流源;4)迅速測量光源的正向電壓并記錄;5)重復(fù)上述步驟1)~(4)，恒溫箱溫度由低到高，測得多點數(shù)據(jù)。
按上述步驟，對12W筒燈光源進(jìn)行三次測量，數(shù)據(jù)如下：
表1 LED正向壓降與結(jié)溫的測量數(shù)據(jù)
由表1可以看出，測量數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)律性很明顯。
因測試時間較短，可以將測量時恒溫箱設(shè)置溫度近似等于LED光源的結(jié)溫。在600mA恒流的情況下，通過數(shù)學(xué)方法不難得出光源模塊正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系。利用Exc工具，以溫度為X軸，平均值為Y軸，生成(X,Y)散點圖，選擇線性回歸分析類型則可生成如下趨勢圖和公式。
[1]
圖4 Excel生成的趨勢圖
由此可見，一個由4并6串中功率LED組成的光源，在600mA恒流驅(qū)動時其正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系為：
Vf = -0.0207Tj+ 20.332 (1)
Tj= 982.22-48.31Vf (2)
式中Vf為LED光源的正向壓降，Tj為結(jié)溫。需要注意的是，不同廠家不同規(guī)格的雖然都符合上述趨勢，但具體數(shù)據(jù)卻有一定的差異，因此更換廠家后規(guī)格型號需重新試驗。
2 LM3404介紹
隨著應(yīng)用的發(fā)展，國內(nèi)外廠家推出了很多用于驅(qū)動LED的器件。其中美國國家半導(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)動芯片。
LM3404內(nèi)置MOS開關(guān)管，最大輸出電流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)制(PWM)輸入信號控制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測功能。輸入電壓6~42V,其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 LM3404內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖
引腳定義：
SW:內(nèi)部MOS管輸出端，一般需外接一個電感和一個肖特基二極管;
BOOT:內(nèi)部MOS管啟動引腳，一般用一個10nF電容與SW端相連;
DIM:PWM調(diào)光輸入端，通過輸入不同占空比的PWM信號，可調(diào)整輸出的平均功率;
GND:接地端;
CS:反饋引腳，用于設(shè)置恒流值;
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態(tài);
VCC:供電引腳，該端由芯片內(nèi)部提供一個7V電壓，應(yīng)用時接一個濾波電容到地;
VIN:輸入端，電壓范圍6~42V,對于LM3404H范圍為6~75V.
LM3404應(yīng)用十分簡單，一個用LM3404的典型應(yīng)用如圖6所示。
圖6 LM3404典型應(yīng)用電路圖
圖中，Rsns為取樣電阻，可根據(jù)設(shè)計恒流值確定;Ron一般選用100k左右的電阻;可決定開關(guān)頻率;L1為輸出電感，可根據(jù)設(shè)計紋波及開關(guān)頻率等參數(shù)確定。
[2]
3 基于結(jié)溫保護(hù)的設(shè)計
基于結(jié)溫保護(hù)的電路關(guān)鍵在于結(jié)溫檢測和如何保護(hù)。根據(jù)上述結(jié)溫與LED正向電壓的關(guān)系，測量LED光源的正向電壓即可確定結(jié)溫，但一般LED恒流驅(qū)動電路的紋波較大，為避免誤保護(hù)，檢測電路必須要對測量值進(jìn)行濾波。另一方面，當(dāng)結(jié)溫超過設(shè)定值時的保護(hù)措施，如能使光源降低功率工作，整個燈具降級運行，是較為合理的方案。采用帶模擬輸入的低功耗的單片機(jī)，可以對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，并通過PWM輸出控制驅(qū)動調(diào)節(jié)LED光源功率，可簡化檢測電路和控制電路的設(shè)計。
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)轉(zhuǎn)換的低功耗在線可編程的單片機(jī)，其內(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。是一款簡單實用的、性價比較高的單片機(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轉(zhuǎn)換、去除粗大誤差、取多個數(shù)據(jù)的均值作為結(jié)溫判斷依據(jù)，輸出PWM信號對恒流驅(qū)動芯片進(jìn)行控制，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的效果。
此外，根據(jù)測量值還可以進(jìn)行開路判斷，從而也簡化了開路保護(hù)電路。
仍以光源部分由4并6串中功率組成的筒燈為例，設(shè)計恒流值為600mA,結(jié)溫保護(hù)點為80℃左右，根據(jù)式(1)得出其光源電壓保護(hù)點為18.68V,即光源兩端的電壓低于18.68V時，LED結(jié)溫會超過80℃，此時驅(qū)動應(yīng)采取保護(hù)措施。由LM3404和PIC12F675組成的基于結(jié)溫保護(hù)的LED電源電路原理圖如圖7所示。
圖7 基于結(jié)溫保護(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轉(zhuǎn)換輸出24V直流，如為電池供電的應(yīng)急照明、、及車載照明等應(yīng)用時，則該部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7組成典型的恒流驅(qū)動電路，對于4并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組成穩(wěn)壓電路，為PIC12F675提供穩(wěn)定的5V電源和內(nèi)部AD轉(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經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換、計算獲取LED光源的正向電壓，根據(jù)設(shè)定值程序產(chǎn)生PWM信號，通過GP4引腳接入LM3404的DIM端對其輸出功率進(jìn)行調(diào)整。
PIC12F675初始設(shè)置GP4輸出高電平，如測得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)定值18.68V,則在GP4引腳輸出PWM信號，其占空比可依次降低，直至LED正向電壓低于設(shè)定值。當(dāng)測得LED正向電壓很高時可判定輸出開路， PIC12F675可輸出低電平關(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的計算程序中應(yīng)予以調(diào)整。
PIC12F675的程序框圖見圖8.
圖8 單片機(jī)程序框圖
4 結(jié)語
基于結(jié)溫保護(hù)的LED電源由于利用單片機(jī)進(jìn)行控制，很容易擴(kuò)展其它功能。如作為路燈，可通過編程使后半夜降低功率運行，從而進(jìn)一步節(jié)能和延長燈具壽命;加入其它傳感器，可實現(xiàn)按需照明;加入遠(yuǎn)程通訊模塊，可以使燈具組成智能控制網(wǎng)絡(luò)等等。
[3]
