双路不等功率恒定电流输出的LED驱动电路设计

周子睿，葛 鹏，李 阳，王 洪

(华南理工大学广东省光电工程技术研究开发中心，广州 510640)



双路不等功率恒定电流输出的LED驱动电路设计

周子睿，葛 鹏，李 阳，王 洪

(华南理工大学广东省光电工程技术研究开发中心，广州 510640)

我们提出了在LED光源中加入一组红光LED芯片，并在荧光粉层中减少红色荧光粉的使用量。实验得出，这种光源具有高显色指数、高光效的优点。要实现白光LED达到不同的色温，蓝光LED和红光LED的电流要求不一样，因此设计了一种双路不等功率恒定电流输出的LED驱动电路，能同时为LED光源的蓝光LED和红光LED提供不同的恒定工作电流。封装后的白光LED经过测试结果表明，所设计的电路能够满足白光LED高显色指数、高光效的要求，能够广泛应用于商业照明场合。

白光LED；红光LED；高显色性；LED驱动；双路输出；电路；设计；恒定电流；不等功率

引言

作为新型照明光源，LED以其节能、环保、反应快、寿命长等优点正逐渐替代传统的照明光源，被广泛应用于各种照明场合。然而不同场合的照明，对LED的色温和显色指数等指标有着不同的要求[1-2]。

LED产生白光的基本办法是用蓝光LED产生的蓝光激发荧光粉从而产生白光[3]，这种方法可以得到中高色温的白光，具有很高的光效，但是，对于高色温其显色性较差[4]。为满足色温和显色指数等高指标的要求，通常会在荧光粉内加入红色荧光粉以改善其暖色温显色性，但红色荧光粉价格昂贵，且激发效率较低，会降低光源的整体光效[5-6]。

为提高光源整体的显指和光效，本文提出在LED光源中加入一组红光LED芯片，这种LED光源由蓝光LED和红光LED组成，能有效提高光源的红光成分，这样就可以减少荧光粉层中红色荧光粉的使用量，有利于光源光效的提高[7-8]。这种新型白光LED光源对LED驱动提出了新的要求：驱动蓝色LED和红色LED的功率不相同，他们具有不同的电流、电压要求，其中，蓝色LED为主要发光元件，需要功率大，红色LED作为调整色温、提高显色指数用，需要功率小。因此，本文主要设计了一种能满足该新型光源的双路不等功率恒定电流输出的LED驱动电路。

1 电路设计

图1所示为LED驱动电路的设计结构框图，由上级稳压电路获得稳定的约400V的直流电压，通过功率变换电路产生100kHz左右的高频高压交流电压，完成DC-AC变换，并经由功率变换电路中的高频变压器降压，通过高频整流滤波电路实现交流(AC)-直流(DC)的变换，获得驱动LED光源中的蓝光LED灯组的工作电压。脉冲频率调制电路提供功率变换电路所需要的驱动频率信号，并与电压电流采样电路中的电流采样电路共同构成电流负反馈闭环控制，对蓝色LED灯组的工作电流进行恒流控制，其电流指令由单片机控制器通过调光指令进行综合运数后，通过以脉冲宽度调制模块122与低通滤波电路组成PWM式数字/模拟转换器产生。LED光源的红光LED由恒流控制电路的输出电流驱动，该电路的电源取自高频整流滤波电路的输出，电流指令从单片机控制器的脉冲宽度调制模块122中的另一路输出获取。另外，接受调光接口输出的调光指令，通过预设的照度调整曲线，计算出蓝光和红光的输出比例，据此得到蓝光LED和红光LED的驱动电流大小，借助脉冲宽度调制模块122分别输出蓝光和红光电流指令，完成恒定色温和恒定显色指数调光功能。

图1 LED驱动电路的设计结构框图Fig.1 Design structure diagram of LED driver

图2所示为LED驱动电路功率变换电路和高频整流滤波电路的原理图。功率变换电路由场效应管Q301，Q302，电感T301及电容C304构成半桥LLC谐振变换器[9]，变换器中的功率场效应管工作在零电压和零电流开关状态，提高了功率变换电路的效率。半桥LLC谐振变换器工作在脉冲频率调制方式，由集成电路FAN7631及外围电阻、电容网络构成的脉冲频率调制电路提供变换频率的调节。电容C302，电阻R305，R311，二极管D301，D303共同构成LLC变换器的初级电流检测电路，检测结果馈入集成电路FAN7631，完成LLC变换器初级过流保护功能。高频整流电路由D302A和D302B组成半桥全波整流电路，高频交流电压进行整流变换为直流电压，并由C308，C309，C310，C311四个电容进行平滑滤波，为LED光源的蓝光LED灯组提供恒定的驱动电流。电容C305和电阻R306组成缓冲吸收电路，为二极管D302B提供保护，电容C306和电阻R307组成缓冲吸收电路，为二极管D302A提供保护。

图2 LED驱动电路的功率变换电路和高频整流滤波电路的原理图Fig.2 Schematic diagram of power converter circuit and high frequency rectifier filter circuit of LED driver

图3所示是为白光LED光源的红光LED芯片提供驱动电流的控制电路的原理图，该电路从上述高频整流滤波电路(蓝光LED恒流控制电路)获得较高的直流电压，并进行buck降压DC-DC变换和恒流控制，是由集成电路LM3402及其外围元件L701、D705组成的buck降压电路，电容C702，C703在输入端起滤波作用，电阻R701，R706和场效应管Q701起控制集成电路LM3402的工作或者截止。对DIM端口输入PWM信号，通过调节占空比可改变输出的平均电流，以实现对LED光源的红光LED灯组的调光功能[10]。

该电路可输出最大为420 mA的驱动电流，电流闭环负反馈控制电路控制由集成电路IC702和电阻R702，R705，R707组成。取样电阻R702两端电压由IC702放大20倍之后，通过R705，R707分压输入集成电路LM3402的CS端口，与其基准电压200 mV进行比较，等于基准电压则集成电路LM3402保持恒流输出，否则禁止输出。

图3 为白光LED光源的红光LED芯片提供驱动电流的控制电路的原理图Fig.3 Schematic diagram of the control circuit that provides the driving current for the red LED of the white LED light source

2 白光LED光源

白光LED光源由蓝光LED芯片和红光LED芯片组成，蓝光LED芯片模组由蓝光LED芯片串联、并联或混联组成，红光LED芯片模组由红光LED芯片串联组成，如图4所示是蓝光LED芯片和红光LED芯片排布图，图中A、B、C、D四个位置为红光LED芯片的放置点，图中A、B、C、D四个位置围成的区域是蓝光LED芯片放置区域。

光源的结构示意图如图5所示，其封装流程为：第一步固晶，使用自动固晶机完成固晶，按照图4所示的排布方式将蓝光LED芯片和红光LED芯片放置在相应位置；第二步焊线，为了实现内外引线的连接，通过导电引线将芯片电极与基板焊盘连接在一起；第三步围坝，在LED芯片的固晶区域外用LED专用围坝胶在基板围成一环形围坝圈，将LED芯片围于其中；第四步点粉，按照正确的各色荧光粉比例以及对应的A、B硅胶比例均匀混合，得到荧光胶体，通过杭州中为光电技术股份有限公司ZWL-3900G集成封装(COB)LED分光分色测试系统测出点粉后光源的各项指标，如色坐标，色温，显色指数，光效等等，根据指标的偏差来调节胶量的多少以达到所需技术要求，待液态荧光硅胶完全流平后，放置于80～90℃的烤箱内烘烤1 h后，转入150～155℃的烤箱内继续烘烤2 h，使得围坝圈内的荧光硅胶层固化。完成封装的LED光源和LED驱动电路的实物图如图6所示。

3 实验测试结果

当LED驱动电路输出功率为45W时，采用杭州中为光电技术股份有限公司ZWL-3900G集成封装(COB)LED分光分色测试系统测量得到的光谱功率分布图如图7所示。表1是2 700 K色温光源的各项测试结果，可见光源的色温为2 700 K的情况下，显色指数能达到90以上，发光效率亦可达到90 lm/W以上，能满足色温和显色指数等高指标的要求。

图4 蓝光LED芯片和红光LED芯片排布图Fig.4 Arrangement diagram of blue LED and red LED

图5 光源结构示意图Fig.5 Schematic diagram of light source

图6 LED驱动电路和LED光源实物图Fig.6 LED driver and LED light source

图7 光谱功率分布图Fig.7 Spectral power distribution

4 结论

本文设计了一种能满足由蓝光LED芯片和红光LED芯片组成的新型光源的双路不等功率恒定电流输出的LED驱动电路，测试结果显示光源的色温为2 700 K的情况下，显色指数能达到90以上，发光效率亦可达到90 lm/W，所设计的电路能够满足白光LED高显色指数、高光效的要求，具有很好的市场应用前景。

表1 功率45W色温2700K光源的测试数据Table 1 Test data of the light source with 45W and 2700K color temperature

[1] 黄婷，郭震宁，林介本．基于高显色指数白光LED的混色研究[J]．照明工程学报，2006，27(1):94-99.

[2] 刘康,郭震宁,林介本.高亮度白光LED色温动态可调及显色指数的研究[J].半导体光电,2012,33(3):357-360.

[3] 江磊，倪凯凯，刘木清.采用蓝光激发黄色荧光粉生成白光技术的LED光效和显色指数研究[J].照明工程学报,2014，25(6)：16-19.

[4] 赖传社，庄其仁，张晓婷，等.显色指数CQS和CRI对光源显色性评价的差异分析[J].照明工程学报，2017，28(2)：46-51.

[5] 田大垒.一种色温可调LED 的封装与性能研究[J].电子与封装,2011,11(3):41-43.

[6] 林泽文，刘木清.基于DALI协议的色温可调节LED照明控制器[J].照明工程学报，2016，27(3)：7-12.

[7] MOUSSA M,KURAND P.Creating tunable white light with high color rendering index using color mixing[J].LED Journal,2009：22-24.

[8] SPERIER I,SALSBURY M.Color temperature tunable white light LED system[J]. Proc. of SPIE, 2006,6337:63371F-1-12.

[9] 张振银, 秦会斌, 刘琦, 等.基于LLC 的半桥谐振变换器设计[J].电子器件,2010,33(5):587-590.

[10] 姜薇艳,盛卫锋.基于LM3402 的LED 调光电路设计[J].电子设计工程,2011,19(1):183-185.

Design of LED Driver Circuit with Dual Unequal Power and Constant Current Output

ZHOU Zirui, GE Peng, LI Yang, WANG Hong

(Engineering Research Center for Optoelectronics of Guangdong Province, South China University of Technology,Guangzhou 510640，China)

We propose to add red LED chips to the LED light source and reduce the amount of red phosphor used in the phosphor layer,the results show that the light source has the advantages of high color rendering index and high luminous efficacy.To achieve a different color temperature of white light LED, the current requirements of blue LED and red light LED are different,so we design a LED driver circuit with dual unequal power and constant current output, which can provides the different constant working current for the blue light LED and red LED of the LED light source.The results show that the LED driver circuit can satisfy the requirements of high color rendering index and high luminous efficacy.It can be widely used in commercial lighting occasions.

white LED; red LED; high color rendering index; LED driver; dual output; circuit; design

广东省产学研结合重点项目(2016B090918057),广东省战略新兴产业专项资金LED产业项目(2012A080304015),广州市产学研协同创新重大专项(201504291057005，201504291502518)资助

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.020