一種基于結溫保護的LED驅動設計

引腳定義：
SW：內部MOS管輸出端，一般需外接一個電感和一個肖特基二極管；
BOOT：內部MOS管啟動引腳，一般用一個10nF電容與SW端相連；
DIM：PWM調光輸入端，通過輸入不同占空比的PWM信號，可調整輸出的平均功率；
GND：接地端；
CS：反饋引腳，用于設置恒流值；
RON：在線控制端，該引腳接地可使芯片停止工作并處于低功耗狀態；
VCC：供電引腳，該端由芯片內部提供一個7V電壓，應用時接一個濾波電容到地；
VIN：輸入端，電壓范圍6～42V，對于LM3404H范圍為6～75V。
LM3404應用十分簡單，一個用LM3404的典型應用如圖6所示。

圖中，Rsns為取樣電阻，可根據設計恒流值確定；Ron一般選用100k左右的電阻；可決定開關頻率；L1為輸出電感，可根據設計紋波及開關頻率等參數確定。

3 基于結溫保護的LED電源設計
基于結溫保護的LED驅動電路關鍵在于結溫檢測和如何保護。根據上述結溫與LED正向電壓的關系，測量LED光源的正向電壓即可確定結溫，但一般LED恒流驅動電路的紋波較大，為避免誤保護，檢測電路必須要對測量值進行濾波。另一方面，當結溫超過設定值時的保護措施，如能使光源降低功率工作，整個燈具降級運行，是較為合理的方案。采用帶模擬輸入的低功耗的單片機，可以對檢測數據進行數字濾波，并通過PWM輸出控制驅動調節LED光源功率，可簡化檢測電路和控制電路的設計。
Microchip公司PIC12F675具有可編程的4通道模擬量輸入、10位分辨率模數轉換的低功耗在線可編程的單片機，其內置看門狗、4MHz振蕩器、128字節EEPROM，單字節指令系統，8腳封裝。是一款簡單實用的、性價比較高的單片機。將LED光源的正向電壓經取樣后接入PIC12F675的模擬輸入端，經AD轉換、去除粗大誤差、取多個數據的均值作為結溫判斷依據，輸出PWM信號對恒流驅動芯片進行控制，以達到調節輸出功率的效果。此外，根據測量值還可以進行開路判斷，從而也簡化了開路保護電路。
仍以光源部分由4并6串中功率LED芯片組成的筒燈為例，設計恒流值為600mA，結溫保護點為80℃左右，根據式(1)得出其光源電壓保護點為18．68V，即光源兩端的電壓低于18．68V時，LED結溫會超過80℃，此時驅動應采取保護措施。由LM3404和PIC12F675組成的基于結溫保護的LED電源電路原理圖如圖7所示。

原理圖中，CX1、L1、L2組成輸入EMC濾波電路，經AC／DC轉換輸出24V直流，如為電池供電的應急照明、太陽能照明、及車載照明等應用時，則該部分省略。R1、LM3404、C4、D1、L3、R7組成典型的恒流驅動電路，對于4并6串的LED中功率芯片組成的光源模塊，取樣電阻為0.39 Ω。R2、R3、R4與LM431組成穩壓電路，為PIC12F675提供穩定的5V電源和內部AD轉換的電壓基準。LM3404的輸出經R5、R6分壓后輸入PIC12F6 75的模擬端口AN2，PIC12F675經內部AD轉換、計算獲取LED光源的正向電壓，根據設定值程序產生PWM信號，通過GP4引腳接入LM3404的DIM端對其輸出功率進行調整。
PIC12F675初始設置GP4輸出高電平，如測得LED正向電壓在合理范圍內，則維持高電平輸出使LM3404正常工作；如LED正向電壓逐漸變低并低于設定值18．68V，則在GP4引腳輸出PWM信號，其占空比可依次降低，直至LED正向電壓低于設定值。當測得LED正向電壓很高時可判定輸出開路，PIC12F675可輸出低電平關閉LM3404的輸出。
需要指出的是，輸出電壓取樣包含了用于LM3404恒流控制的電流取樣電壓約0．23V，在PIC12F675的計算程序中應予以調整。PIC12F675的程序框圖見圖8。

4 結語
對于由4并6串中功率LED組成的12W筒燈，在采用上述驅動方案的試驗中，人為向散熱外殼吹熱風或光源與散熱外殼接觸脫離時，LED光源將迅速變暗，光源基板溫度隨之下降，有效地保護了光源本身。當使燈具恢復正常狀態后，LED光源亮度也很快恢復正常。
實際應用中，結溫超出設定值的原因很多，如惡劣的環境、散熱器接觸問題、或在強制風冷條件下的風機停轉等。結溫升高將導致LED光源的正向電壓下降，特別在光源由多個LED串聯的情況下，下降幅度十分明顯。通過檢測LED光源正向電壓的方法，間接測量結溫，并應用單片機調節LED光源的功率，可大大提高整體燈具的可靠性和壽命。此外，基于結溫保護的LED電源由于利用單片機進行控制，很容易擴展其它功能。如作為路燈，可通過編程使后半夜降低功率運行，從而進一步節能和延長燈具壽命；加入其它傳感器，可實現按需照明；加入遠程通訊模塊，可以使燈具組成智能控制網絡等等。