HV9910B的LED降压驱动电路设计

现代电子技术ModernElectronicsTechnique2014年10月1日第37卷第19期Oct.2014Vol.37No.190引言与传统的照明光源相比，LED光源具有高效率、低功耗、颜色纯、低电压驱动、使用寿命长、安全环保、体积小等优点[1]，而一个可靠、稳定、高效率的驱动电路是LED发挥这些优势的关键和保障。LED的输出光流明数和波长同PN结的温度和电流密切相关。对LED主要有恒压驱动和恒流驱动2种方式。恒压驱动电路主要采用固定电压的电源串联限流电阻和发光LED的方式[2⁃3]。这种方法的最大缺点是当电阻温度的升高时，阻值也会随之改变，从而使LED的驱动电流不稳定。目前，基本上采用恒流方式驱动，这样可以使LED的亮度稳定。而目前LED恒流驱动电路大多结构复杂，所用的外围元器件较多，实际应用中设计起来并不方便[4]。本文采用HV9910B专用驱动芯片设计LED驱动电源，电路驱动效率高，结构简单，所需的外围元件少，性能稳定可靠。1LED的物理特性LED的核心是一个PN结，电流只能正向导通。如图1所示，当对LED施加正向电压时，N区的电子通过PN结注入P区，同样P区的空穴也注入N区；进入对方区域的部分载流子发生复合，能量以光子的形式释放出来，使LED发光[5]。因此，流过的载流子越多，即电流越大，释放出的光子数也越多。有L=KI，其中，L为LED的发光亮度，I为LED的正向工作电流，K为比例常数[6⁃7]。由此可见，要控制LED的亮度可以通过控制LED的驱动电流来调节。LED的正向驱动电压和电流呈指数关系，电流模型为I(Vf)=I0ekVf，其中I为流过LED的电流，Vf为LED的基于HV9910B的LED降压驱动电路设计研究黄剑平，沈汉鑫（厦门理工学院光电与通信工程学院，福建厦门361024）摘要：LED照明需要稳定、可靠的恒流驱动电路。应用LED驱动芯片HV9910B设计了大功率高亮度LED驱动电路。提出了基于该芯片的设计方案，采用DC/DC降压型拓扑结构，以输出恒定电流的方式驱动LED。重点解析了整个电路的详细设计过程。该电路的输入电压为12V，可驱动2个1W的大功率LED发光，驱动电流达350mA，并具有PWM调光功能。对该设计的测试结果表明，电路的效率可达89.2%，优于大部分同类电路，且电路的PWM调光线性度良好，性能稳定可靠。该电路所需的外围元器件少，电路结构简单，设计方便，广泛适用于通用的LED照明场合。关键词：恒流驱动电路；降压驱动；LED照明；HVPP10B中图分类号：TN602⁃34；TM923.02文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2014）19⁃0139⁃04DesignofLEDbuckdrivercircuitbaseonHV9910HUANGJian⁃ping，SHENHan⁃xin（SchoolofPhotoelectronicandCommunicationEngineering，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China）Abstract：AstableandreliableconstantcurrentdrivingcircuitisneededinLEDillumination.AhighpowerandhighbrightnessLEDdrivecircuitwithHV9910Bchipwasdesigned.Adesignschemebasedonthischipisproposed，inwhichDC/DCbucktopologystructureisadoptedandconstantcurrentdrivingmodeisusedforLED.Thedetaileddesignprocessofthecir⁃cuitisdescribed.Theinputvoltageofthecircuitis12V.ThecircuitwithPWMdimmingfunctioncandrivetwo1WLEDscon⁃nectedinseriesanditsdrivingcurrentis350mA.Thetestresultshowsthatthecircuithastheefficiencyof89.2%whichisbet⁃terthanothersimilarcircuits，anditsPWMdimminglinearityisgoodandperformanceisstable.Fewperipheralcomponentsareneededinthiscircuit.Thecircuitissimpleandeasytodesign.ThecircuitissuitableforLEDilluminationingeneraloccasion.Keywords：constantcurrentdrivingcircuit；buckdrive；LEDillumination；HVPP10B收稿日期：2014⁃03⁃05基金项目：福建省科技厅科学计划项目（2012J01238）；福建省教育厅科学计划项目（JA11231）；厦门理工教改课题（JGQ201210）139139现代电子技术2014年第37卷正向电压，k和I0为常数[8]，如图2所示。从图中看出，当LED正向导通后，随着电压的微小增加，电流会急剧增大。由此可见，通过控制LED的电压来控制LED的发光状态并不合适，容易造成LED的亮度不稳定。因此LED一般采用恒流方式来驱动。图1LED发光原理图图2LED正向电流与正向电压的关系曲线2HV9910B芯片介绍HV9910B是美国Supertex公司生产的通用高亮度LED驱动集成芯片。该芯片的输入电压可达8~450V，输入电压范围大；采用恒流方式驱动外部LED串；芯片工作时的开关振荡频率可通过外接电阻设置；驱动的LED亮度可通过线性电压或脉宽调制（PWM）方式进行调节；工作时所需的外部元器件数量少。该芯片特别适用于通用的LED照明场合。HV9910B芯片的内部结构图如图3所示[9]。图3HV9910B芯片内部结构图其中，芯片内部的电压调节器（Regulator）将输入端VIN的电压调节为恒定的7.5V，为芯片内部电路供电；CS端可外接电流检测电阻，来设置LED的最大工作电流；GATE端可直接驱动外部MOS开关管；RT端外接电阻，用来设置芯片工作时的开关振荡频率；PWMD端用于输入LED的PWM脉宽调光信号。3LED降压驱动电路的设计3.1电路原理设计驱动2个1W的高亮度LED，输入电压约为12V，输出电压约为7V左右，输出驱动电流为350mA。HV9910B降压驱动电路如图4所示。二极管D1、电感L1和MOS管Q1组成降压驱动部分，驱动2个功率为1W、串联连接的高亮度LED；电路通过功率MOS管Q1的反复开关动作来控制LED的输入电压；电阻R1检测流过LED的电流，将电流值转为电压值反馈给HV9910B芯片的CS端。该电压值与芯片内部的250mV阈值电压进行比较，当检测的电压值小于250mV时，通过芯片的GATE引脚使外部MOS管导通；当MOS管导通时，二极管D1截止，电流经LED、电感L1、MOS管Q1和检测电阻R1流到GND端，这时电感L1储存能量。当检测的电压值大于250mV时，芯片控制外部MOS管截止；此时，电感储存的能量为LED提供续流电流，二极管D1导通，电流流过电感L1、二极管D1和LED，形成另一个电流回路。因此，通过电阻R1的反馈，可以很高效地控制LED的平均驱动电流，使外部LED的驱动电流稳定在设置的电流值上。与芯片RT端连接的电阻R2用于设置芯片工作时的开关频率。图4中，R2连接在RT与GATE端之间，使电路工作在恒定的关断时间模式，这样可以防止电路系统的不稳定[10]。电容C1，C2用于吸收电路产生的高频纹波电流，减小电路中的噪声干扰。图4HV9910B降压驱动电路PWM调光信号从HV9910B芯片的PWMD端输入。PWM信号由单片机ATmega88P产生，如图5所示。输入的12V电压经过线性稳压芯片REG1117⁃3.3得到3.3V的输出电压给单片机供电，单片机的PB1端口输出PWM脉宽调制信号。由于HV9910B的供电电140第19期黄剑平，等：基于HV9910B的LED降压驱动电路设计研究压为12V，为了实现电平匹配，PB1的输出驱动一个NPN型三极管2N2222。当PB1输出为高电平时，三极管2N2222导通，向HV9910B的PWMD端输出低电平信号；当单片机的PB1输出为低电平时，2N2222截止，由于有上拉电阻R5，PWMD端输入高电平。这样就通过单片机输出PWM信号实现HV9910B芯片的调光功能。图5PWM信号产生电路3.2电路元件参数选择HV9910B工作的开关频率决定了电路中电感的大小，使用更高的频率可以选择更小的电感，但过高的频率会增加电路中的开关损耗。由于电路设计为工作在恒定关断模式，根据芯片资料建议，设定关断时间恒定为5μs，则定时电阻R2的计算公式为：R2=tOFF×25-22（1）计算得到R2应为103kΩ，选取与之接近的阻值100kΩ。此时，电路的工作频率为100kHz左右。电感的取值另一方面取决于流过LED的纹波电流的大小，一般假定LED允许的纹波电流是±15%，总共纹波的峰峰值为30%，根据电感的计算公式：L=Vo×tOFF0.3×Io（2）计算得到电感L应为333μH，选取最接近的标准电感值470μH。LED电流检测电阻R1的计算公式为：R1=0.25IPK（3）其中，0.25表示芯片内部的阈值比较电压为250mV；IPK为流过LED的峰值电流。在纹波电流为15%时，峰值电流为350mA×（1+0.15）=402.5mA，计算得到检测电阻R1的阻值应为0.25÷0.4025=0.621Ω，选取与之接近的标准电阻0.620Ω。MOS管的峰值电压等于电路输入电压12V，采用50%的安全裕量，至少应为12×1.5=18V。最大电流为LED的最大驱动电流350mA，实际设计中选择MOS管额定电流为最大电流的3倍，以减小开关时的电阻损耗，为0.350A×3=1.05A。综上考虑，选择MOS管IRFL014，它的峰值电压可承受60V，最大电流可达到2.7A，DS端导通电阻仅为0.2Ω，导通损耗小。续流二极管D1承受的最大反向峰值电压也为12V，最大电流也是350mA，选择肖特基二极管MURS240T3，它的最大反向电压为300V，最大正向电流为2A，符合设计要求。4实验数据测量对设计的电路进行测量，当LED驱动电流100%输出时，测量得到输入电压为12V，输入电流为238mA，LED两端的电压为6.55V，流过LED的电流为389mA。计算得到电路的效率为89.2%。改变输入电压的大小，从8V增加到20V，测量流过LED的驱动电流，画出如图6所示曲线图。从图6可以看出，当输入电压改变时，LED的驱动电流变化很小，该电路可以使LED驱动电流稳定在设定值上。图6输入电压与LED驱动电流关系图用ATmega88P单片机产生280Hz的PWM调光信号，输入给HV9910芯片的第5脚PWMD端，实现LED的发光亮度的调节，得到PWM占空比与LED驱动电流的关系图如图7所示。从图7中可以看出PWM信号的占空比与LED驱动电流基本呈线性关系变化，电路PWM调光的线性度良好。图7PWM占空比与LED驱动电流关系用固纬公司的GDS⁃806C示波器观察MOS管的D极与LED两端电压的波形，如图8所示。从图8中可以看出，当MOS管导通时，D极电压为低电平，LED两端的电压逐渐升高，当升高至HV9910B内部阈值电平时，MOS管截止，MOS管D极电压变为高电平；LED的驱动电流由电感提供，LED两端电压下降，直至电压低于阈值，MOS管再次导通。用示波器观察PWM调光信号波形与MOS管D极141现代电子技术2014年第37卷波形，如图9所示。当PWM波形为高电