中心議題：
- 大功率LED恒流驅動設計方案
- LED工作特性
- LED 常用驅動技術比較研究
解決方案：
- 基于PT4115 的恒流驅動設計
本文對LED 常用驅動技術進行了比較研究，得出大功率LED 采用恒流驅動的合理性。并對采用PT4115 的大功率LED 恒流驅動的設計原理進行了詳細的介紹。該恒流驅動具有驅動原理簡單、成本低、恒流效果好等優點。并且，該恒流源相對于其也恒流源具有輸入電壓范圍寬泛、效率高的優點。對大功率LED 在太陽能行業上的應用具有很好的工程實用價值。
0 引言
光伏發電行業作為一種新興行業，其發展具有突飛猛進的趨勢。光伏照明是光伏產業中的支柱產業。由于光伏電池所發出來的電如果不經過一次變換的話是直流電，因此，LED 光源作為一種直流電光源，尤其適合光伏照明產業。但是，LED 的高效節能的優點要想保證的話，其驅動具有尤為重要的作用。本文對大功率LED 和小功率LED 適合的驅動進行了比較研究。并且提出一種基于PT4115 的高效率的大功率LED 恒流驅動解決方案。該種驅動電路簡單、高效、成本低，適合當今太陽能產品的市場化發展。
1 LED 工作特性
LED 具有對電壓敏感的特性，當LED 兩端電壓超過其導通電壓后。可近似的認為其正向電壓VF和正向電流IF 成比例關系。因此，電壓的變化會引起電流的變化。
圖1 LED 的VF 和IF 特性曲線線
從圖1 可以看出電壓的微小變化會引起電流的極大變化。由此，可以得出對于LED 應該采用恒流驅動，防止流過LED 電流的極大波動，影響LED 的使用壽命。因此，不管是交流恒流驅動還是直流恒流驅動，其輸出端LED 兩端電壓的峰峰值最好控制電流在幾十毫安。
2 LED 常用驅動技術比較研究
2. 1 電阻鎮流驅動
圖2 采用鎮流電阻驅動的原理圖
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從圖2 中可見，采用電阻鎮流的驅動方式就是在LED 燈串上串聯上鎮流電阻。通過鎮流電阻降低在LED 燈串上的電壓，防止LED 過壓被擊穿。鎮流電阻的驅動方式實際上就是通常所說的恒壓驅動方式。該種驅動方式雖然簡單，但是在鎮流電阻上會有損耗，并且，損耗會隨輸入電壓的增大而增大。因此，該種技術作為最早的驅動技術，已經隨著技術的發展，逐漸被取代。
2. 2 PWM恒壓驅動方式
眾所周之，PWM驅動方式本身具有驅動效率高的優點。因此，采用PWM 恒壓驅動方式具有效率高，驅動電路簡單的優勢。但是，鎮流電阻這種恒驅動方式，已經不適合當今光伏照明的簡潔、高效的趨勢。因此，PWM恒壓IC 隨之出現。
圖3 恒壓驅動原理
對于采用恒壓驅動（見圖3） ,因輸出到LED 負載兩端的壓降不變，如果其中一路的某顆LED 發生短路故障，則這個輸出的恒壓壓降將全部降在其它LED 兩端，則剩余的每顆LED 承受的電壓可能超過電壓額定值，而將其燒毀。
LED 因其VF 值特性原因做不到相同，隨著溫度及電流大小也有些VF 值也會發生變化，一般不適合并聯設計。但是有些情況又不得不并聯解決多顆LED 驅動成本問題，就像小功率LED 如果每一路采用一個恒流源會大大增加驅動成本，因此，就必須采用多組LED 燈串并聯，而采用恒壓驅動的方式進行驅動。
因此， 即使采用恒壓驅動的方式， 也要選擇PWM恒壓驅動IC ,提高驅動效率。
迫于小功率LED 要想實現和大功率相同的照度，所需數量大，如果每路驅動使用一個恒流驅動，將大大增加驅動成本，鑒于此問題，小功率LED 適合采用恒壓驅動方式。
2. 3 恒流驅動技術
對于恒流驅動實際上很大程度上是結合PWM恒壓驅動高效率的特點，對其進行改造以最簡單的方法實現恒流。
對于PWM恒壓IC 內置一個基準電壓，通過采樣反饋端FB 端電壓和內置電壓比較，以控制PWM輸出占空比，以實現恒壓驅動。
要進行恒流控制就要在斬波輸出端串聯一個小電阻，采樣其對地電壓，然后對其進行放大并反饋到恒壓控制端，以進行恒流控制。由于采樣電阻串聯在輸出回路里，要降低落在電阻上的功耗，就要盡量減小電阻的阻值，通常選0. 1 Ω電阻。
采用恒流驅動，必須每一路LED 燈串有一個恒流源驅動。當燈串中單顆LED 發生短路故障時，由于輸出電流不變，因此，并不影響其它LED 的光效，采用恒流驅動能大大提高LED 的使用壽命。
3 基于PT4115 的恒流驅動技術
3. 1 PT4115 芯片簡介
1） 極少的外部原件
2） 很寬的電壓輸入范圍：從8 V 到30 V
3） 最大輸出1. 2 A 電流
4） 復用DIM 引腳進行LED 開關、模擬調光、PWM調光
5） 5 %的輸出電流精度
6） LED 開路保護
7） 高達97 %的效率
8） 輸出可調的恒流控制方法
9） 內部含有抖頻特性，極大的改善EMI
3. 2 典型應用電路
圖4 PT4114 典型應用電路
對于PT4115 （見圖4） 即可以應用于12~18 V 的交流，也可應用在8 V~30 V 的直流。因此，應用范圍更加廣泛。并且，驅動電路簡單，所需元器件均價格低廉。適合批量、市場化。
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3. 3 PT4115 恒流原理
保持采樣端（CSN） 輸入電壓值為IC 內部設定值相對于VIN 電壓值不變即可實現恒流。因為：
式中：ILED ---流過L ED 的電流；VCSN ---電壓檢測端電壓；RS ---電流采樣電阻。
從式（1） 可見，只要保證采樣端電壓相對于輸入端電壓不變，就能使流過LED 的電流恒定。
3. 4 PT4115 調光措施
PT4115 采用PWM 調光措施，當DIM 引腳電壓低于0. 3 V 時關斷LED 電流，高于2. 5 V 時開啟LED 電流。
PWM調光措施相對于傳統的線性調光，不影響LED 的光效。PWM 調光的基本原理是保持LED 正向導通電流恒定，而通過控制電流導通和關斷的時間比例，即控制每個周期電流導通的時間。PWM 調光的優勢是LED 正向導通的電流一直是恒定的，LED的色度就不會像模擬調光一樣會變化。PWM調光可以在精確控制LED 的亮度的同時，也保證LED 發光的色度。
線性調光是通過改變流過LED 的電流來調整光效的，流過LED 的電流的變化必然會影響LED 的色度。
因此，PWM調光相對傳統的線性調光具有很大的進步。
3. 5 PT4115 頻抖改善EMI 的原理
頻率抖動技術（Frequency Jitter） 是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI 問題的新方法。頻率抖動技術是指開關電源的工作頻率并非固定不變，而是周期性地由窄帶變為寬帶的方式來降低EMI ,來減小電磁干擾的方法。
頻率抖動技術通過擴展電源噪聲頻譜的方式降低了窄帶EMI.對于可以抖動多少的振蕩器頻（fs） ,存在一些局限性。其中一些局限因素是開關損耗和磁路設計。為了將升壓電感盡可能的保持較小，并將開關損耗保持在可控范圍內，頻率抖動應不超過基本頻率的20 %至30 %.
3. 6 PT4115 的動態溫度調節和過溫保護
對于PT4115 具有動態溫度調節的功能，并且，可以在此功能的基礎上實現過溫保護。
3. 6. 1 動態溫度調節。
圖5 動態溫度調節原理圖
從圖5 中可見，DIM 端內部是一個1MΩ 的上拉電阻，連接到內部5V 電源上。DIM 端電壓由內部上拉電阻和熱敏電阻NTC 分壓決定。從熱敏電阻的特性可以知道，溫度的變化會影響NTC 的阻值，進而影響DIM端電壓，以實現PT4115 的動態溫度調節。
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3. 6. 2 過溫保護的實現。
從圖6 中可見，相對于圖5 多了一個三極管，當溫度升高時，NTC 電阻的阻值減小，其上的分壓也減小，則相應的其下面電阻上的分壓升高，當超過三極管的開通電壓時， 三極管導通，DIM 端接地， 關斷LED電流， 當溫度降低時， IC 重啟， 因此， 實現了PT4115 的過溫保護。
圖6 過溫保護的實現原理圖
3. 7 PT4115 工程應用中的經驗
1） 電感越大，工作頻率越低，恒流效果越好；
2） 輸出電流越大，需要電感值越小，電感選擇方便；
3） 通常電感越大，功率開關的開關損耗越小，但相應的電感的損耗會增大；
4） PT4115 內部自帶過溫保護功能，外部過溫保護可設，對LED 實現雙重保護；
5） PCB 布線要盡可能的將銅箔與PT4115 的Ex2posed PAD 和GND 的接觸面積增大，以利散熱；
6） 交流12V 整流管和續流二極管一定要選用低壓降的肖特基二極管，以降低自身功耗；
7） 電感選取時，其飽和電流要求為輸出電流的1. 5 倍。
4 實驗結果
4. 1 效率測定
采用實驗室精密儀表，對PT4115 的輸出效率進行了測量，現以輸出為3 顆LED 串聯負載為例，其結果見表1.
表1 不同輸入電壓下，輸出效率測定
從表1 可見， PT4115 的整體供電效率維持在91 %以上，相對于當前市場上的恒流源，是一款效率高的產品。并且，單路可以實現驅動最多7 顆1W的LED 串聯。由于，外圍電路簡單， IC 封裝體積小，可以將恒流驅動和LED 負載整合在一塊鋁基板上，實現驅動、散熱一體化的模組方案。
4. 2 實驗波形
通過示波器采樣肖特基二極管兩端的波形，同樣以3 顆LED 負載為例進行采樣。
圖7 輸入電壓12 V 負載為3 顆LED 串聯時的波形
從波形圖7 與可見斬波波形沒有毛刺，因此，諧波含量比較低，恒流驅動損耗小。
5 小結
本文通過對各種常用驅動技術進行比較，得出大功率LED 應采用恒流驅動的結論。并且，詳細介紹了基于PT4115 的大功率LED 恒流驅動的原理、優點、及其電路實現。同時， 也詳細敘述了在采用PT4115 實現恒流驅動過程中的經驗總結。最后對其實驗結果進行了描述，證明了該驅動的合理性、高效性、簡潔性等突出優點。該恒流驅動具有很強的工程實用性。
