基于NCP3065的LED升压驱动电路设计*

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)

基于NCP3065的LED升压驱动电路设计*

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)

高效稳定的恒流驱动电路是LED照明工程设计的关键之一。应用新型驱动器件NCP3065设计了一款LED升压恒流驱动电路。介绍了电路的工作原理和元件参数的详细计算过程。所设计电路包含DC-DC升压驱动部分和PWM调光部分，可以驱动5个1 W串联的LED，驱动电压达16 V，电流达350 mA。实测结果表明，电路整体效率高达87.5%，并且具有调光线性度好，性能稳定、可靠等优点，适用于各种大功率LED的照明应用。

LED照明;恒流;升压驱动;PWM调光

目前，以高亮度LED为光源的绿色照明成为广泛关注的热点。与传统的白炽灯、荧光灯相比，LED的出现使照明技术进入了固态照明的时代。LED具有高效率、低功耗、低电压驱动、使用寿命长、安全环保、体积小等优点［1-3］。要发挥 LED的这些优点，需要有高效、稳定、可靠的驱动电路，这也成为LED照明系统设计的关键和难点。

1 LED的特性

LED是发光的半导体元件，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［8］。因此，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正向工作电流，K为比例常数［7］。因此可通过控制LED的驱动电流来控制LED的亮度。

图1 LED发光原理图

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阳极和阴极间的正向电压，k和 I0为常数［4］，如图2所示。从图2可以看出，当LED正向导通后，电压微小的变化都能引起很大的电流变化，试图通过控制LED电压来控制LED的状态并不可取，因此LED通常采用恒流电路来驱动。

图2 LED电压与电流的关系曲线

2 电路设计

2.1 设计要求

输入电压为220V市电，要求驱动5个1 W的LED，串联连接，每个LED的导通电压约为3.2 V，驱动电流最大为350 mA，且要求亮度可调。

针对要求，5个LED串联的导通电压约为5× 3.2=16 V。这里考虑采用效率高、纹波电流小的升压拓扑结构的驱动电路。当后续如果需要增加LED的数量时，只需要修改电路的参数，而无需改变电路的拓扑结构。从LED电压与电流的关系图上看出正向导通的曲线比较陡峭，直接通过调节电流来调节亮度比较困难，因此调光方式选用脉宽调制，即PWM调光的方法，即通过改变LED在单位周期时间内的平均导通时间来调光。

2.2 NCP3065驱动芯片的特性

整个电路核心的LED驱动芯片选用安森美公司专用于LED照明驱动的NCP3065开关集成稳压芯片。该芯片的电压输入范围大，可从3 V到40 V;电流反馈电压仅为235 mV，能耗小;开关频率最大可达250 kHz。它内部集成了1.5 A的大功率达林顿驱动电路，无需外部驱动MOS管。该芯片还具有过热保护功能，当工作温度超过165℃时，内部输出功率管将被关断，起到保护芯片的作用［5］。NCP3065芯片的内部结构如图3所示。

其中芯片的第1、2引脚连接内部的达林顿功率管的C极和E极。第3脚外接定时电容，用于设定芯片工作时的开关振荡频率。第5脚一边连接内部235 mV比较器的负输入端，一边用于连接外部LED电流检测电阻，使LED的驱动电流恒定在设定值。芯片第7引脚为峰值电流监测端，当检测到电源的峰值电流超过设定值时，芯片将关断内部达林顿管的输出，起到保护工作电路的作用。

图3 NCP3065芯片的内部结构图

2.3 LED驱动电路设计

整个电路的供电部分如图4所示。220 V的市电通过隔离变压器降压得到约为9 V的交流电，通过4个二极管组成的桥式整流电路和220 μF大电容的滤波得到直流电流作为整个驱动电路的供电电源，这时输出约为直流10.8 V。

图4 输入桥式整流电路图

LED升压驱动电路图如图5所示。电感L1、二极管D1和输出电容C4、C5组成升压电路，驱动5个串联的LED。二极管D1选用大电流、低功耗、反向恢复时间短、正向导通电压仅为0.6 V的肖特基二极管MBRS140LT3。其平均工作电流达到1 A，峰值电流可达到2 A，满足设计要求。由于电路为升压驱动结构，为了防止若有LED出现断路，二极管D1继续给输出电容充电，造成输出电压持续升高，而可能损坏电容元件，在LED的输出端并联了一个22 V齐纳二极管，在LED发生故障时通过22 V齐纳二极管来钳位输出电压。升压电路工作时的开关频率通过与芯片第3脚连接的C6设置。这里C6取值2.2 nF，设置振荡频率约为150 kHz。LED的工作电流通过与之串联的电阻R10检测，LED驱动电流在R10上产生的压降反馈到NCP3065芯片第5脚的COMP端。反馈电压与芯片内部235 mV基准电压进行比较，比较器的输出通过芯片内部的RS触发器微调输出达林顿管的导通周期，从而使LED的驱动电流稳定在设定值。电流检测电阻R10的取值为235 mV÷350 mA=0.671 Ω，这里取与之阻值最接近的标准电阻0.665 Ω。

图5 LED升压驱动电路图

峰值电流检测电阻连接电源输入端与芯片第6引脚Ipk端。由于检测电流较大，检测电阻由6个电阻并联以分担总电流。当电源电流超过设定值时，电流检测电阻上的压降增大到超过芯片内部比较器的基准值，内部比较器将内部RS触发器置位，使输出达林顿管截止，及时关断LED驱动电流，从而保护整个电路不被大电流损坏。

2.4 PWM调光电路设计

通过NCP3065芯片Ipk峰值电流检测端的功能可以巧妙地实现PWM调光。如图5所示，将一个开关三极管的集电极与芯片的Ipk端连接，三极管的发射极接地，三极管的基极输入PWM信号。当开关三极管的基极输入PWM信号的低电平时，三极管截止，NCP3065驱动芯片正常工作;当三极管的基极输入PWM信号的高电平时，三极管导通，Ipk端的电压被强制拉低，与之相连接的内部比较器输出高电平信号使芯片的内部的RS触发器置位，从而强制关断输出功率管，这时LED没有电流流过。通过调节PWM高低电平信号的占空比就能实现LED的调光功能。

图6 PWM信号发生电路

使用通用定时芯片NE555产生PWM调光信号。电路如图6所示，电阻R11、R12和电容C8组成RC充放电电路。电容C8的电压将在555芯片2个内部比较器的基准电平之间反复振荡。从芯片的第3引脚将输出高低电平的方波。由于接入了D3和 D4两个二极管，电容C8的充电电流和放电电流将流经不同的路径。通过调节变阻器R12的阻值，可以调整电容C8的充、放电时间常数，从而调整555输出方波的高电平和低电平时长，即调整波形的占空比。由于电容充电和放电流过的电阻总阻值不变为:R11+R12，因此电路充放电的总时间长度不变，为T=(R11+R12)·C8·ln2［6］。

PWM波形的频率选取需要折衷考虑2个方面。若频率太低，则人眼会感觉到灯光闪烁;频率太高，则会对电路产生EMI干扰。NCP3065芯片说明书建议调光频率选择在200 Hz～1 kHz。这里选择R11=1 kΩ，R12=50 kΩ，电容C8=0.1 μF，则PWM信号频率为f=1/(R11+R12)·C8·ln2=282.9 Hz，满足上述要求。

3 实验测量

对设计的电路进行测量，当驱动电流100%输出时，测量得到LED驱动电路输入电压为10.8 V，输入电流为586 mA，LED串两端的输出电压为16.11 V，流过LED的电流344 mA，计算得到该驱动电路的工作效率为:87.6%。用示波器观测LED的输出端的纹波电压幅度约为:500 mV，约占输出平均电压的3.1%。

测试PWM调光信号的占空比与输出电流的关系如图7所示，因为当PWM信号为高电平时开关三极管导通，NCP3065关断电流输出，所以PWM信号的占空比与输出电流呈反比关系。从图上看出，PWM信号的占空比与LED的平均驱动电流基本呈线性关系，PWM调光的线性度良好。

图7 PWM输出占空比与输出平均电流关系图

4 结束语

本文介绍了基于NCP3065芯片的LED升压驱动电路设计，包括:升压电路、PWM调光电路和相关保护电路等。并对该电路的工作参数进行测量。结果表明该电路达到设计指标的要求，能够稳定驱动5个串联的1瓦LED，并有较高的效率和很好的PWM调光线性度。该电路具有故障保护功能，当外部电路出现电流过大或温度过热时，NCP3065芯片能够及时关断内部功率管的输出，起到保护整个电路的作用。本电路经过适当改进，可用于恶劣的环境如户外照明、建筑物照明、汽车照明等领域。

［1］ 李慧，吴建德，邓焰，等.基于Zigbee网络和驱动LM3409HV的LED调光系统［J］.照明工程学报，2011(8):46-49.

［2］ 龙兴明，周静.基于SA7527的LED照明驱动电源的研制［J］.电子器件，2007(3):904-907.

［3］ 王延宇，郭维，朱大中.大功率白光LED驱动电路的双环检测办法［J］.传感技术学报，2010(4):485-489.

［4］ Pierret，Robert F.Semiconductor Device Fundamentals［M］.Addison Wesley，1996:361-362.

［5］ 沙占友.LED照明驱动电源优化设计［M］.北京:中国电力出版社，2011:11-12.

［6］ Ron Lenk，Carol Lenk.LED电源设计权威指南［M］.北京:人民邮电出版社，2012:33-34.

［7］ NCP3065芯片资料［EB/OL］.http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=NCP3065.

［8］ 阎石.数字电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2006: 352-355.

黄剑平(1981- )，男，汉族，硕士，实验师，福建厦门人，主要从事嵌入式系统设计研究，arrowhuang@163.com;

沈汉鑫(1966- )，男，汉族，博士，副教授，福建龙岩人，主要从事电子材料及光电技术研究工作，2010111001@xmut. edu.cn。

Design of LED Boost Driver Circuit Based on NCP3065*

HUANG Jianping*，SHEN Hanxin

(Department of Photoelectricity and Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamnen Fujian 361024，China)

An effective and stable constant current driving circuit is one of the keys of LED lighting design.A boost circuit used NCP3065 chip is designed.The principle how to work the circuit and detail the calculation process of the elements’parameters is introduced.The circuit includes a DC-DC boost driving part and a PWM dimming part.The circuit can drive five 1 W LEDs connected in series，and its driving voltage is 16 V，driving current 350 mA.The test result shows that the efficiency of the circuit is 87.5%，good linearity and stable，suitable for high power LED lighting applications.

LED lighting;constant current;boost drive;PWM dimming

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.016

TN432

A

1005－9490(2014)02－0245－04

项目来源:福建省科技厅科学计划项目(2012J01238);厦门理工科研基金项目(XKJJ201103)

2013-05-24修改日期:2013-06-17

EEACC:1200;4200D