LED光源恒流驱动电路设计

第13卷第3期2013年6月

柳州职业技术学院学报

JOURNALOFLIUZHOUVOCATIONAL&TECHNICALCOLLEGEVol.13No.3Jun.2013

［理工农学研究］

LED光源恒流驱动电路设计

黎艺华

（柳州职业技术学院，广西

摘要：针对太阳能光伏路灯最常用的70W

柳州

545006）

LED光源的工作特点，采用PWM技术，设计出以

XL6006芯片为核心的LED光源恒流驱动电路。该电路具有工作性能稳定、效率高、损耗小的特点，还可

利用PWM方便地实现全功率或半功率自动变换调节LED光源的亮度。

关键词：LED光源；PWM技术；恒流驱动电路；太阳能光伏中图分类号：TN312+.8

文献标志码：A

文章编号：1671-1084（2013）03-0051-06

随着LED的材料和集成工艺技术的发展，LED光源的功率也在不断增加，但是大功率LED的发光强度是由LED的工作电流所决定的，电流过大会引起严重发热，当工作温度超过70℃时，发光强度严重衰减，而电流过小，则不能达到额定发光强度。所以构成LED光源的寿命和性能的关键是LED光源的恒流驱动电路。本文论述了针对太阳能光伏路灯最常用的70WLED光源的工作特点，采用PWM技术，以XL6006芯片为核心的LED光源恒流驱动电路的设计方法，并通过实验测试对系统的设计进行了分析和论证。

1太阳能光伏路灯LED光源驱动电路的设计思路1.1三种LED驱动电路的比较1.1.1电阻限流驱动电路

在LED供电主回路中串联一限流电阻，此电路最简单，常见用于小功率LED指示灯，而对于大功率

LED用串联电阻限流的效果很差，会有一部分电能将消耗在电阻上，对太阳能光伏路灯来说不节能。另外由于光伏路灯LED光源都是由蓄电池供电，而标称额定电压12V的铅酸蓄电池电压波动达10.5V至14.5V，工作电压的波动将引起LED光源工作电流的改变，使发光强度不稳定。1.1.2线性稳压驱动电路

在额定工作电压的LED光源的输入端设置一线性稳压器，此电路LED光源不受输入电压波动影响，工作电流稳定，发光强度不变，但在稳压的过程中，电压差降在线性稳压器上，导致工作效率低，不节能。

1.1.3开关电源恒流驱动电路

开关电源是利用几十至几百千赫兹的高频方波控制大功率三极管的通断，并通过储能电感的自感和续流二极管实现电压和功率的转换，其转换效率可达90%以上，是目前能量变换中效率最高的。若在输出端给电压或电流取样来控制高频方波的脉冲宽度即采用PWM技术，便可方便地实现恒压或者恒流输出。在

LED光源的驱动电路中，可根据LED光源模组的额定电压和额定功率来配置它的恒流驱动。

从对以上三种LED光源的驱动电路比较可以看出，串电阻限流和线性稳压的方式，都会在限流电阻

或线性稳压器上产生较大的电能消耗，效率不高。这对于太阳能光伏路灯的大功率LED光源，系统的光伏功率配置和蓄电池容量必然增大，成本增加。而开关电源恒流驱动电路采用高频功率转换，PWM控制恒流，效率高、损耗小，还可利用PWM方便地实现自动全功率或半功率变换来调节LED的亮度。

1.2电路应实现的功能

1）通电启动全功率工作

收稿日期：2013-04-02

作者简介：黎艺华（1963-），女，广西阳朔人，柳州职业技术学院副教授，研究方向：电子技术。

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2）通电启动延时6小时后半功率工作3）设有输入防反接保护4）输入抗干扰滤波5）输出过流和短路保护6）输出恒压可根据需要设置7）输出恒流可根据需要设置

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1.3电路应能满足的输入电源特性和输出带负载的特性

1）输入端：由于太阳能光伏路灯系统控制白天由光伏组件充电，晚上由铅酸蓄电池供电，为减少输

出线损，使用24V铅酸蓄电池，其输出电压波动达21V至29V，因此LED光源驱动电路的输入端至少应能适应20V~30V供电范围。由于路灯系统已有蓄电池过电压和欠电压保护，在该驱动电路不再做要求。

2）输出端：由于选用LED光源的额定功率为70W，额定工作电压36V，额定工作电流1.94A，为了

充分节约电能，设置上半夜工作在全功率70W，下半夜工作在半功率35W，所以要求该驱动电路应能在全功率状态下，稳压输出在36V，恒流在1.94A；半功率状态下，稳压输出在36V，恒流输出为0.97A。

1.4太阳能光伏路灯LED光源驱动电路的设计框图

根据电路需实现的功能要求，设计出LED光源驱动电路的框图如图1所示。

图1LED光源驱动电路的设计框

图

2电路原理分析

2.1太阳能光伏路灯LED70W光源驱动电路原理图

图2太阳能光伏路灯LED70W光源驱动电路原理图

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如图2是利用PWM控制的LED70W光源恒流驱动电路，其中RT自恢复热电阻保险与D2构成输入防反接电路，C1、C2为输入抗干扰滤波电容，XL6006芯片与环形电感L实现功率变换，D1、C3、C4为高频整流滤波，DW输出电压稳压取样，Res1、Res2分别为全功率和半功率时的工作电流取样，IC1、IC2组成定时器，Q1切换全功率或半功率。

2.2电路工作过程描述

电路采用专用的固定频率PWM升压DC-DC转换IC芯片，通电启动时，芯片XL6006由内置的高频方波发生器产生180KHz的固定频率方波，控制内置的大功率MOSFET开关管在芯片SW端产生连续的对地同频开关状态，由于在通断状态下的自感效应环形电感L产生比输入电压高的电压，经D1续流，

C3、C4滤波后，输出给LED模组供电，从而实现了DC-DC的电压转换，用DW稳压二极管在输出端取

样，送入XL6006芯片的FB检测端，由芯片内置的比较器控制PWM的脉冲宽度，将输出电压控制在所需要的36V上。负载工作电流的测量电阻Res串联在LED主回路中，流经Res的负载电流在Res上产生一电流取样电压，此电压送入FB端，由芯片内置的比较器控制PWM的脉冲宽度，将负载电流自动控制在所需的工作电流上。芯片的PB端设有基准电压，当电路输出端过载或短路时取样电阻Res上的取样电压将高于基准电压，芯片将关闭输出，起到负载过流和短路保护的作用。

定时切换功率由两片14级二进制串行计数器CD4060所构成的长延时定时器驱动，电路启动的同时，

C8和R7给计数器清零，CD4060开始计数，当IC2的Q14端高电平时，Q2饱和导通，Q1截止，将原来全

功率工作时的Res1、Res2并联的一路断开，取样电阻由小变大，输出电流变小，调节RW可方便地调节延时时间为所需要的设定值。

3电路主要元器件的选用

3.1PWM高效DC-DC芯片的选用

LED光源驱动电路的核心部件是DC-DC转换恒流驱动芯片，目前市场上LED恒流驱动的专用芯片

很多，并大多采用迟滞型转换器，宽电压输入范围，与电路可构成升压、降压或者升降压，控制采用智能PWM，功率开关管可内置或者外置，输出电流可达十几安，并且都内置过压、欠压、过流、短路和温度保护电路。

经实际使用比较，该电路设计选用了XL6006大功率升压型LED恒流驱动芯片，其主要技术指标如表1。

表1

XL6006主要技术指标

XL6006芯片电路应用简单，外部元器件少，芯片内置固定频率发生器，主电路限流，过温度保护，

输出开路过压保护和专用的LED驱动的恒流功能，由于大功率开关管在芯片内置，功率管的电压、电流、温度都受控，且开机软启动。芯片的可靠性和安全性高，其芯片的技术指标都满足36V、70WLED光源驱动的条件。

3.2电感的选用

电感的选用考虑到电感值、饱和电流和线圈阻抗。选大电感，成本会增加，开关系统会变为连续模式；选小电感，则要求要有较大的开关电流，系统也会工作在不连续模式。为此，选择合适的电感值可在已知的开关频率下得到最大的效率。

计算PWM占空比Dmax，设VD为0.5V

Dmax=

Vout+VD

=36+0.5=0.6347

IN(min)outD

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计算电感L的纹波电流ΔIL，设定电感纹波电流为电感电流的40%。

△IL=Iout×V×40%=1.94×36×0.4=1.33A

Vin(min)21

电感L的电感量为：

31L=Vin(min)+VD×Dmax=×0.6347=55μH△ILSW电感L的峰值电流为：

Lpeak=Iout×V×(1+40%)=1.94×36×1.2=3.99A

21Vin(min)2

根据计算结果本电路选用68μH5A的环形电感。

3.3续流二极管的选用

续流二极管在电路中主要是当芯片SW端在关状态时，为电感的自感电流提供续流途径，为此二极管的反向电压必须高于Vin+Vout，平均电流等于或大于满载时的输出电流。考虑到电路为高频状态，且尽量减少能耗，故选择正向导通电压小的肖特基二极管，耐压100V、电流10A的MBR10100。

3.4输出电容的选用

按纹波电压要求，依据峰值电流和电容的阻抗ESR选择容量。通常滤波电容的选取原则是，C≧

2.5T/R，但在实际应用中，如果空间和成本允许，都会按经验选取C≧5T/R，其中C为电容量、T为周

期、R为负载电阻。

假定纹波电压Vripple是输出电压36V的2%。则电容值为Cout≥5T=

R

输出电容的阻抗ESR值为

ESR≤V=0.02×36=180mΩ

peak

故本电路选用ESR小于180mΩ的耐压50V、220μF的铝电解电容。

3.5输入电容的选用

输入电容的选择主要参数是输入耐压和电流均方根，若输入电压为最大30V，则铝电解电容的耐压要大于1.5Vin=1.5×30=45V,可选耐压50V的电容，电容量可按经验公式进行估算。

5L=5×3.99=154uFVripple×FSW0.02×36×180K

Cin=Iout×1000μF，即每输出1A电流就对应于1000μF的电容量。

选用耐压50V2000uF的铝电解电容，

3.6输入防反接保护的元件选用

由于芯片内置开关管并联的二极管在输入电压反接时会出现正向偏置Vf=0.7V，在输入20-30V电压的，会过流导致芯片损坏，所以在电路输入端接入一个正向偏置小于0.7V的肖特基二极管，反向耐压要超过输入电压。故选用耐压40V3A的正向偏置压降小于0.5V的肖特基二极管1N5822。

串联在输入主电路中的自恢复保险热电阻是当输入反接时，电路电流增大时瞬间过热，元件电阻变大阻断电流。反接解除时RT温度降低自动恢复，选用的自恢复保险耐压应大于输入电压，启动电流大于输入工作正常电流。故选用耐压30V启动电流2.5A的，GR30-250自恢复保险。

3.7取样元件选用

电压取样用稳压二极管，依据LED光源电压等级选36V电流取样电阻Res依据芯片参数输出电流Iout=0.22/Res计算。当全功率时，输出电流为1.94A。

Res=0.22/1.94≈0.11Ω

当半功率时，输出电流为0.97A。

Res=0.22/0.97≈0.22Ω

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电阻功率选用大于1/2W的金属镆电阻，实际由于电路排布，焊接差异，电阻值可根据实际电流调整。

4电路测试和分析4.1电路效率测试

电路效率测试示意图和测试数据分别如图3和表2所示。

图3表2

电路效率测试示意图

电路效率测试数据表

从电路效率测试数据看，电路的工作效率取决于输入电压，输入电压越高，效率越高，输入电压低，则效率下降，这主要是输入电压高时与输出的稳压压差小，而输入电压低时与输出的稳压压差大，其压差大时芯片内部的功率晶体管的开关损耗增加。由于太阳能光伏路灯所使用的铅酸畜电池放电时，基本工作在24V附近，故芯片及电感和续流二极管构成的DC-DC电压和功率转换效率较高，电路在使用时可获得较高的效率。另当输入电压变化时，输出电压不变，负载工作电流也不随输入电压的变化而改变，因此实现了恒压和恒流的目的。

4.2电路功能测试

1）输入电源防反接功能测试：

将可调直流稳压电源置24V与驱动电路板输入端“+、-”反接，主回路串联的自恢复保险RT瞬间

发热。芯片输入端Vin为零，无输出。重新正接线后，自恢复保险温度下降至室温时恢复。

2）全功率与半功率转换测试：

通电启动电路全功率工作，延时6小时转换为半功率。

3）输出过电流和短路保护功能测试：

将电路的输出端短接，芯片不工作，输出为0V，取消输出短路，恢复输出36V。

4）主要元件的温度测试：

将芯片加装50×30mm的铝散热器，在全功率状态下5小时，测量芯片表面温度为55℃，环形电感

45℃，续流二极管40℃，其余元件无明显升温，电路温升在正常的范围内。5结束语

本电路设计针对太阳能光伏路灯的铅酸蓄电池供电和大功率LED光源照明的特点，使用了单片

DC-