基于结温保护的LED驱动设计

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。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。

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。

图1 LED的伏安特性

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。

图2 伏安特性的温度特性

一般LED的结温每升高1°C ,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：

图3 LED光源电路连接图

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：

表1 LED正向压降与结温的测量数据

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。

图4 Excel生成的趋势图

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：

Vf = -0.0207Tj+ 20.332 （1）

Tj= 982.22-48.31Vf （2）

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95%.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。

图5 LM3404内部电路结构图

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6 LM3404典型应用电路图

图中，Rsns为取样电阻，