一种基于结温保护的LED驱动设计

摘要：将LED结温控制在一定范围是确保LED灯具寿命和发光效率的关键。文中探讨了LED结温的测量方法，提出了通过单片机实时测量LED光源的结温，在结温超出设定值时生成PWM信号调整电源的输出功率。文中给出了采用LM3404与PIC12F675组成的基于结温保护的电源原理图和单片机程序框图。试验表明，基于结温保护的LED驱动，可使LED灯具可靠性有效提高。
关键词：LED；结温；脉宽调制；LM3404；PIC12F675

0 引言
    随着LED外延材料、芯片工艺及封装技术的进步，LED的发光效率不断提高，这使得LED光源代替传统光源成为可能。理论上说，LED具有寿命长、效率高等优点，但在一些实际应用中却给人留下了光衰大、寿命短的印象，这大大影响了半导体照明的普及和推广。究其原因，主要是LED的驱动电源问题。
    LED寿命长、效率高是有前提的，即适宜的工作条件。其中影响寿命和发光效率的主要因素是LED的工作结温。从主流LED厂家提供的测试数据表明，LED的发光效率与结温几乎成反比，寿命随着结温升高近乎以指数规律降低。因此，将结温控制在一定范围是确保LED寿命和发光效率的关键。而将结温控制在一定范围的手段除散热措施外，将结温纳入驱动电源的控制参数是十分必要的。

1 LED结温的检测
    LED的结温是指PN结的温度，实际测量LED的结温比较困难，但是可以根据LED的温度特性间接测量。LED的伏安特性和普通的二极管相似。用于白光照明的蓝光LED典型的伏安特性如图1所示。

    LED的伏安特性和其它二极管一样具有负温度系数的特点，即在结温升高时I／V曲线出现左移现象，如下图所示。

    一般LED的结温每升高1℃，I／V曲线会向左平移1．5～4mV，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加，电流增加只会使它的结温升得更高，甚至导致恶性循环。所以，目前LED驱动电源一般设计为恒流供电。
    根据I／V曲线随结温升高左移的规律，在恒流供电的情况下，测量LED的正向电压就可以推算LED结温。
    在实际应用中，往往不需要确定LED结温的特别精确的数值，此时可以用试验的方法确定整体灯具LED光源结温的估算数值。以一个12W筒灯为例，光源部分由4并6串中功率LED组成，其电路连接形式如下：

    确定正向电压与结温的关系的试验步骤为：1)将光源置入恒温箱中；2)设置恒温箱的温度；3)待恒温箱内温度充分平衡稳定后，在光源两端接入恒流源；4)迅速测量光源的正向电压并记录；5)重复上述步骤1)～(4)，恒温箱温度由低到高，测得多点数据。
    按上述步骤，对12W筒灯光源进行三次测量，数据如下：

    由表1可以看出，测量数据的一致性和规律性很明显。因测试时间较短，可以将测量时恒温箱设置温度近似等于LED光源的结温。在600mA恒流的情况下，通过数学方法不难得出光源模块正向电压与结温的关系。利用Excel工具，以温度为X轴，平均值为Y轴，生成(X，Y)散点图，选择线性回归分析类型则可生成如下趋势图和公式。

    由此可见，一个由4并6串中功率LED组成的光源，在600mA恒流驱动时其正向电压与结温的关系为：
   
    式中Vf为LED光源的正向压降，Tj为结温。需要注意的是，不同厂家不同规格的LED产品虽然都符合上述趋势，但具体数据却有一定的差异，因此更换厂家后规格型号需重新试验。

2 LM3404介绍
    随着LED照明应用的发展，国内外厂家推出了很多用于驱动LED的器件。其中美国国家半导体公司推出的LM3404及系列产品就是一款非常适用于中小功率LED光源的恒流驱动芯片。
    LM3404内置MOS开关管，最大输出电流1A，效率高达195％。这款芯片采用8引脚SOIC封装，其中的一条引脚可以利用脉宽调制(PWM)输入信号控制LED的光亮度。此外，这款芯片可以利用低至0．2V的反馈电压提供电流检测功能。输入电压6～42V，其内部电路结构如图5所示。

    引脚定义：
    SW：内部MOS管输出端，一般需外接一个电感和一个肖特基二极管；
    BOOT：内部MOS管启动引脚，一般用一个10nF电容与SW端相连；
    DIM：PWM调光输入端，通过输入不同占空比的PWM信号，可调整输出的平均功率；
    GND：接地端；
    CS：反馈引脚，用于设置恒流值；
    RON：在线控制端，该引脚接地可使芯片停止工作并处于低功耗状态；
    VCC：供电引脚，该端由芯片内部提供一个7V电压，应用时接一个滤波电容到地；
    VIN：输入端，电压范围6～42V，对于LM3404H范围为6～75V。
    LM3404应用十分简单，一个用LM3404的典型应用如图6所示。

    图中，Rsns为取样电阻，可根据设计恒流值确定；Ron一般选用100k左右的电阻；可决定开关频率；L1为输出电感，可根据设计纹波及开关频率等参数确定。

3 基于结温保护的LED电源设计
    基于结温保护的LED驱动电路关键在于结温检测和如何保护。根据上述结温与LED正向电压的关系，测量LED光源的正向电压即可确定结温，但一般LED恒流驱动电路的纹波较大，为避免误保护，检测电路必须要对测量值进行滤波。另一方面，当结温超过设定值时的保护措施，如能使光源降低功率工作，整个灯具降级运行，是较为合理的方案。采用带模拟输入的低功耗的单片机，可以对检测数据进行数字滤波，并通过PWM输出控制驱动调节LED光源功率，可简化检测电路和控制电路的设计。
    Microchip公司PIC12F675具有可编程的4通道模拟量输入、10位分辨率模数转换的低功耗在线可编程的单片机，其内置看门狗、4MHz振荡器、128字节EEPROM，单字节指令系统，8脚封装。是一款简单实用的、性价比较高的单片机。将LED光源的正向电压经取样后接入PIC12F675的模拟输入端，经AD转换、去除粗大误差、取多个数据的均值作为结温判断依据，输出PWM信号对恒流驱动芯片进行控制，以达到调节输出功率的效果。此外，根据测量值还可以进行开路判断，从而也简化了开路保护电路。
    仍以光源部分由4并6串中功率LED芯片组成的筒灯为例，设计恒流值为600mA，结温保护点为80℃左右，根据式(1)得出其光源电压保护点为18．68V，即光源两端的电压低于18．68V时，LED结温会超过80℃，此时驱动应采取保护措施。由LM3404和PIC12F675组成的基于结温保护的LED电源电路原理图如图7所示。

    原理图中，CX1、L1、L2组成输入EMC滤波电路，经AC／DC转换输出24V直流，如为电池供电的应急照明、太阳能照明、及车载照明等应用时，则该部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7组成典型的恒流驱动电路，对于4并6串的LED中功率芯片组成的光源模块，取样电阻为0.39 Ω。R2、R3、R4与LM431组成稳压电路，为PIC12F675提供稳定的5V电源和内部AD转换的电压基准。LM3404的输出经R5、R6分压后输入PIC12F6 75的模拟端口AN2，PIC12F675经内部AD转换、计算获取LED光源的正向电压，根据设定值程序产生PWM信号，通过GP4引脚接入LM3404的DIM端对其输出功率进行调整。
    PIC12F675初始设置GP4输出高电平，如测得LED正向电压在合理范围内，则维持高电平输出使LM3404正常工作；如LED正向电压逐渐变低并低于设定值18．68V，则在GP4引脚输出PWM信号，其占空比可依次降低，直至LED正向电压低于设定值。当测得LED正向电压很高时可判定输出开路，PIC12F675可输出低电平关闭LM3404的输出。
    需要指出的是，输出电压取样包含了用于LM3404恒流控制的电流取样电压约0．23V，在PIC12F675的计算程序中应予以调整。PIC12F675的程序框图见图8。

4 结语
    对于由4并6串中功率LED组成的12W筒灯，在采用上述驱动方案的试验中，人为向散热外壳吹热风或光源与散热外壳接触脱离时，LED光源将迅速变暗，光源基板温度随之下降，有效地保护了光源本身。当使灯具恢复正常状态后，LED光源亮度也很快恢复正常。
    实际应用中，结温超出设定值的原因很多，如恶劣的环境、散热器接触问题、或在强制风冷条件下的风机停转等。结温升高将导致LED光源的正向电压下降，特别在光源由多个LED串联的情况下，下降幅度十分明显。通过检测LED光源正向电压的方法，间接测量结温，并应用单片机调节LED光源的功率，可大大提高整体灯具的可靠性和寿命。此外，基于结温保护的LED电源由于利用单片机进行控制，很容易扩展其它功能。如作为路灯，可通过编程使后半夜降低功率运行，从而进一步节能和延长灯具寿命；加入其它传感器，可实现按需照明；加入远程通讯模块，可以使灯具组成智能控制网络等等。