基于HV9910B的LED降压驱动电路设计研究

黄剑平　沈汉鑫

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12 V，可驱动2个1 W的大功率LED发光，驱动电流达350 mA，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?04

Design of LED buck driver circuit base on HV9910

HUANG Jian?ping， SHEN Han?xin

（School of Photoelectronic and Communication Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China）

Abstract： A stable and reliable constant current driving circuit is needed in LED illumination. A high power and high brightness LED drive circuit with HV9910B chip was designed. A design scheme based on this chip is proposed， in which DC/DC buck topology structure is adopted and constant current driving mode is used for LED. The detailed design process of the circuit is described. The input voltage of the circuit is 12 V. The circuit with PWM dimming function can drive two 1 W LEDs connected in series and its driving current is 350 mA. The test result shows that the circuit has the efficiency of 89.2% which is better than other similar circuits， and its PWM dimming linearity is good and performance is stable. Few peripheral components are needed in this circuit. The circuit is simple and easy to design. The circuit is suitable for LED illumination in general occasion.

Keywords： constant current driving circuit； buck drive； LED illumination； HVPP10B

0 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。

1 LED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。

2 HV9910B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8～450 V，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]。

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7.5 V，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。

3 LED降压驱动电路的设计

3.1 电路原理

设计驱动2个1 W的高亮度LED，输入电压约为12 V，输出电压约为7 V左右，输出驱动电流为350 mA。

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1 W、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250 mV阈值电压进行比较，当检测的电压值小于250 mV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250 mV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。

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12 V电压经过线性稳压芯片REG1117?3.3得到3.3 V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的供电电压为12 V，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。

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5 μs，则定时电阻[R2]的计算公式为：

[R2=tOFF×25-22] （1）

计算得到[R2]应为103 kΩ，选取与之接近的阻值100 kΩ。此时，电路的工作频率为100 kHz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333 μH，选取最接近的标准电感值470 μH。

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250 mV；[IPK]为流过LED的峰值电流。在纹波电流为15%时，峰值电流为350 mA×（1+0.15）=402.5 mA，计算得到检测电阻[R1]的阻值应为0.25÷0.402 5=0.621 Ω，选取与之接近的标准电阻0.620 Ω。

MOS管的峰值电压等于电路输入电压12 V，采用50%的安全裕量，至少应为12×1.5=18 V。最大电流为LED的最大驱动电流350 mA，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0.350 A×3=1.05 A。综上考虑，选择MOS管IRFL014，它的峰值电压可承受60 V，最大电流可达到2.7 A，DS端导通电阻仅为0.2 Ω，导通损耗小。续流二极管D1承受的最大反向峰值电压也为12 V，最大电流也是350 mA，选择肖特基二极管MURS240T3，它的最大反向电压为300 V，最大正向电流为2 A，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12 V，输入电流为238 mA，LED两端的电压为6.55 V，流过LED的电流为389 mA。计算得到电路的效率为89.2%。

改变输入电压的大小，从8 V增加到20 V，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。

用ATmega88P单片机产生280 Hz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。

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极波形，如图9所示。当PWM波形为高电平时，MOS管正常工作，反复地导通和截止，此时LED正常发光；当PWM波形为低电平时，MOS管始终截止，D极波形为高电平，此时LED没有电流流过。

5 结 语

本文设计的大功率高亮度LED驱动电路，采用HV9910B芯片作为核心驱动元件，运用降压驱动方式，可以实现电路的恒流驱动、PWM亮度调节等功能。对该设计的测试结果表明该驱动电路效率高达89.2%，优于大部分同类的LED驱动电路，调光线性度好，LED驱动电流不受输入电压变化的影响，始终稳定在设定值；且电路工作所需的外围元器件较少，电路结构简单，成本低廉，性能稳定。一些设计的参数经过适当修改就能很好地适用于其他各种LED照明场合，在实际的设计应用中非常方便，具有很好的实用参考价值。

参考文献

[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，2007，30（3）：904?907.

[3] 陈汉汛，倪尔东.LED驱动电路及在车用光源设计中的应用[J].武汉理工大学学报，2005，27（1）：67?69.

[4] 任增民，秦会斌，崔佳冬.一种大功率LED驱动电路设计与实现[J].杭州电子科技大学学报，2007，27（5）：72?75.

[5] PIERRET R F. Semiconductor device fundamentals [M]. [S.l.]： Addison Wesley， 1996.

[6] 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.

[7] 张准，陈晓冰.大功率LED恒流驱动电源设计[J].现代电子技术，2013，36（16）：164?166.

[8] LENK Ron， LENK Carol. LED电源设计权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[9] Microchip.HV9910B芯片资料[EB/OL].[2014?03?09].http：//www.supertex.com.

[10] WINDER Steve.LED驱动电路设计[M].北京：人民邮电出版社，2009.

用示波器观察PWM调光信号波形与MOS管D极波形，如图9所示。当PWM波形为高电平时，MOS管正常工作，反复地导通和截止，此时LED正常发光；当PWM波形为低电平时，MOS管始终截止，D极波形为高电平，此时LED没有电流流过。

5 结 语

本文设计的大功率高亮度LED驱动电路，采用HV9910B芯片作为核心驱动元件，运用降压驱动方式，可以实现电路的恒流驱动、PWM亮度调节等功能。对该设计的测试结果表明该驱动电路效率高达89.2%，优于大部分同类的LED驱动电路，调光线性度好，LED驱动电流不受输入电压变化的影响，始终稳定在设定值；且电路工作所需的外围元器件较少，电路结构简单，成本低廉，性能稳定。一些设计的参数经过适当修改就能很好地适用于其他各种LED照明场合，在实际的设计应用中非常方便，具有很好的实用参考价值。

参考文献

[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，2007，30（3）：904?907.

[3] 陈汉汛，倪尔东.LED驱动电路及在车用光源设计中的应用[J].武汉理工大学学报，2005，27（1）：67?69.

[4] 任增民，秦会斌，崔佳冬.一种大功率LED驱动电路设计与实现[J].杭州电子科技大学学报，2007，27（5）：72?75.

[5] PIERRET R F. Semiconductor device fundamentals [M]. [S.l.]： Addison Wesley， 1996.

[6] 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.

[7] 张准，陈晓冰.大功率LED恒流驱动电源设计[J].现代电子技术，2013，36（16）：164?166.

[8] LENK Ron， LENK Carol. LED电源设计权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[9] Microchip.HV9910B芯片资料[EB/OL].[2014?03?09].http：//www.supertex.com.

[10] WINDER Steve.LED驱动电路设计[M].北京：人民邮电出版社，2009.

用示波器观察PWM调光信号波形与MOS管D极波形，如图9所示。当PWM波形为高电平时，MOS管正常工作，反复地导通和截止，此时LED正常发光；当PWM波形为低电平时，MOS管始终截止，D极波形为高电平，此时LED没有电流流过。

5 结 语

本文设计的大功率高亮度LED驱动电路，采用HV9910B芯片作为核心驱动元件，运用降压驱动方式，可以实现电路的恒流驱动、PWM亮度调节等功能。对该设计的测试结果表明该驱动电路效率高达89.2%，优于大部分同类的LED驱动电路，调光线性度好，LED驱动电流不受输入电压变化的影响，始终稳定在设定值；且电路工作所需的外围元器件较少，电路结构简单，成本低廉，性能稳定。一些设计的参数经过适当修改就能很好地适用于其他各种LED照明场合，在实际的设计应用中非常方便，具有很好的实用参考价值。

参考文献

[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，2007，30（3）：904?907.

[3] 陈汉汛，倪尔东.LED驱动电路及在车用光源设计中的应用[J].武汉理工大学学报，2005，27（1）：67?69.

[4] 任增民，秦会斌，崔佳冬.一种大功率LED驱动电路设计与实现[J].杭州电子科技大学学报，2007，27（5）：72?75.

[5] PIERRET R F. Semiconductor device fundamentals [M]. [S.l.]： Addison Wesley， 1996.

[6] 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.

[7] 张准，陈晓冰.大功率LED恒流驱动电源设计[J].现代电子技术，2013，36（16）：164?166.

[8] LENK Ron， LENK Carol. LED电源设计权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[9] Microchip.HV9910B芯片资料[EB/OL].[2014?03?09].http：//www.supertex.com.

[10] WINDER Steve.LED驱动电路设计[M].北京：人民邮电出版社，2009.