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基于MC34063A的LED用恒流驱动电路的设计

光电驱动电路

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描述

  LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/W,荧光灯50-70lm/W,钠灯90-140lm/W,大部分的耗电变成热量损耗。LED光效已达到120-200lm/W,而且其光的单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。目前,世界各国仍在加紧提高LED光效方面的研究,在将来其发光效率仍有较大提高。

  1.LED驱动电路的要求

  根据LED的电压、电流变化特性,目前很多厂家生产的LED灯类产品采用恒压驱动,无非是采用阻、容降压,然后加上一个稳压二极管稳压,或用开关电源方式,向LED供电,这样驱动LED的方式存在极大缺陷。首先是效率低。其次是稳定电压的能力差。因此,LED的驱动方式,最好的办法是恒流驱动,恒流电源可消除正向电压变化所导致的电流变化。因此可产生恒定的LED亮度。

  2.LED驱动电路

  2.1电路原理

  基于大功率LED的电气特性和恒流源电路的原理,本文设计了一个基于集成电路模块的LED驱动电路,其原理框图如1所示。根据系统框图选择芯片,内部既要有振荡时序电路和比较器反馈,同时又要有开关管和基准电压。

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  图1照度采集终端结构示意图

  2.2IC选择

  线性恒流驱动电路虽然电路简单、元器件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等有点,但是其在线性状态、负载变化适应、供电便利性等方面由很多先天弊端。而开关恒流驱动电路可以有效的解决上述几个缺点,所以本文选择双极型线性集成电路MC34063A进行驱动电路设计。

  3.MC34063A驱动电路

  MC34063A提供一种适用于便携式电子产品的稳压电源,具有以下特点:输出精度高(可达±0.04V);电路简单,外围元件少;电路转换效率高(可达74%左右);可以输出5—12V任意设定的电压。

  3.1电路方案设计

  基于前述负反馈控制理论和开关电源原理,本文设计了一个开关恒流电路,电路原理如图2所示。

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  图2基于MC34063A的LED驱动电路原理图

  3.1.1单端反激式开关电源模块
如图2所示,接通6V电源,通过R1给VT2提供小量的基极电流,经VT2放大后,再输入VT1基极,使VT1进入放大区。当VT1进入放大区后,在RS触发器的作用下,VT1很快进入开关振荡状态。振荡频率高达70kHz。此时N1就像一只电感接到6V电源上,其线圈电流随时间增长,电能逐渐转化成磁能存储在磁芯中。在VT1截止关断器件,感应电势反向,接在N2上的二极管VD2导通。通过改变N1、N2线圈的匝数比,可以改变在N2端获得的感应电压值。

  3.1.2器件参数选择

  1)CT为振荡器定时电容,它与振荡器工作频率有关,CT一般在470~1500pF范围内取值。R3为VT2的集电极电阻。它与输入电压VIN有关(输入电压VIN大,R3取得大一些),此处取100Ω。

  2)为了保证开关管VT1不过流,外设Rsc限流电阻来检测此电流,并控制振荡器,使开关管峰值电流不超过1.5A。Rsc的阻值可按公式Rsc=0.3(V)/Ipk(A)计算,式中Ipk为开关管峰值电流,此值不大于1.5A。此处Rsc取0.22Ω。

  3)在电路达到恒流稳态输出时,流过LED的理论电流为IL=0.30A,即流过取样电阻R5的电流I5=IL=0.30A。理论阻值R5=1.25/IL=1.25V/0.300A=4.2Ω

  考虑到恒流驱动电路的输出可能发生断路或开路,为了保证使用安全,设置短路保护和开路过压保护是必需的。在输出端加接电阻R3和稳压二极管VDW引入电压负反馈后,就能起到过压保护作用,将过压值限制在VDW的击穿值。

  4.电路测试

  在进行方案设计后,实际制作了如图4所示的大功率LED驱动电路。其中所选LED为1W的白光LED,理论额定工作电流约为300mA。在接通外部电源后,通过改变串联LED负载的个数进行了电路调试。实验中获得的数据如表1所示。

表1输出恒流特性实测数据

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  其中,当LED负载为1个时,变压器N1:N2=1:1;当LED负载为2个时,变压器N1:N2=1:2;当LED负载为3个时,变压器N1:N2=1:3。理论的恒定电流为:I0=1.25/R5=1.25/4.2Ω=0.30A

  根据表中数据可见:在较宽输入电压范围(4~4.5V)和宽LED负载变化范围(1~3个LED串联)内,输出电流恒定,为0.30A,能满足大功率LED驱动电路的恒流供应。

  5.总结

  本文设计的LED驱动电路,驱动电流实验数据与理论数据基本一致,验证了电流状态为恒流输出,说明本文提出的大功率LED恒流驱动电路的方案是可行的。相对于线性恒流等其它驱动电路,开关恒流驱动成本较低,元器件少,宽电压输入,稳定性好,从而具有广泛的应用前景。如果能够将电容采用金属电容,无电解液更可以提升整个电路的使用寿命。

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