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学习LED驱动知识（二）

article 2025/3/10 18:34:57

ppt来自B站周老师

使用普通元器件或者电源芯片构建电路驱动LED

1.电阻降压限流设计

案例一：

USB供电电压为5V，因为LED的Vf为3v，所以电路只能6个LED并联，直接跟电源并联电流太大，LED会过流导致断路。所以要先串联一个电阻再并联6个LED。

由LED的额定电流50mA得知，LED平常工作电流肯定不能超过50mA，通过把额定电流降低20%~30%得出正常工作时流过一个LED的电流为40mA。

把电阻阻值求出来后，算一下功率0.432W，一个贴片电阻的工作功率不能达到这么大，所以要选择用两个电阻来分担一下功率，而且是两个电阻并联，所以最后要选择两个阻值为15欧

案例二：

(单片机引脚输出电流比较小，无法驱动直接LED，要通过三极管实现控制LED的亮灭)

三极管截止时，LED所在的支路为断路，LED灭。（饱和导通条件 $\beta I_{b}>I_{c}$ ）三极管导通时，ce两端有导通电压；所以电阻两边的电压就为5-2-0.5=2.5V 阻值为：2.5V/25mA=100欧

P=25mAx25mAx100=0.0625W

1不适用于电压波动的电路

2.基于三极管的线性恒流电路设计

利用三极管的放大特性，可以从三极管的伏安特性曲线看出当三极管工作中放大区时ib确定时，Ic的电流是几乎不变的（稳定 $I_{c}=\beta I_{b}$ ）。(Rb限流)

基极和发射极之间有个PN结，想要Ic不变，首先Ib要稳定，PN结的电压稳定Ib就稳定。基极和发射极之间电压不能变，所以要在基极接一个稳压二极管，稳定三极管基极的电压。

由PN结的伏安特性曲线知，电流Ib对电压Vbe是很敏感的。普通稳压二极管稳压性能并不能达到非常精密，使用电阻改善电路。电阻对基极到发射极这个回路起到降压限流的作用，保护稳压二极管和三极管防止过流。

先确定稳压二极管的稳压值（选择的稳压二极管一定要大于0.7保证有电压留给Re），再确定你想要的IC大小，再利用IC电流和Ure求出Re的电阻阻值和功率。

案例一：

稳压二极管的额定功率=反向击穿电压X最大反向电流（正常工作下）

稳压二极管可以正向接也可以反向接，正向利用导通电压钳位0.7V，反向利用反向击穿特性钳位到反向击穿电压。

稳压二极管可以通过不同组合来达到想要的稳压值。

通过算出需要的电阻阻值，如果阻值不是标准阻值，我们首先考虑通过并联两个电阻来得到接近的阻值。两个电阻的功率加起来要大于算出来电阻Re的功率。然后通过对比LED相关参数来验证电阻Re选择正不正确。（Re影响Ic电流）

选好Re，再来选择Rb（提供基极电流和稳压二极管电流），想求出Rb的阻值先要知道Rb两端的电压和流过Rb的电流。因为Vin（输入电压）是波动的，需要选择Vin最大时的电压（VIn最大时，Rb两边电压最大，在电流固定的情况下，电阻的功率是最大的，因为最后要确定Rb的额定功率）

需要确定流过电阻Rb的电流，基于基尔霍夫电流定律，流过Rb的电流=流过稳压二极管的电流+流过三极管基极的电流，流过三极管的电流（能工作在放大区）和流过稳压二极管的电流（最小反向击穿电流），最小Irb要确保他们能工作，所以要选择在输入电压最小时，流过Rb的电流最小。当流过Rb的电流最小时能正常工作，电压波动范围能也能正常工作。

稳压二极管反向击穿时最小的电流要看手册，流过三极管基极的电流Ib要根据IC和手册上的电流放大倍数 $\beta$ （看题目有没有要求大小）。

在电流最小（确保三极管和稳压二极管能正常工作）的情况下求出来的阻值是最大的。

如果只有8050三极管，我们可以通过减少Rb的电阻来提高基极的电流，使得60倍Ib能达到150mA。

2的线性恒流电路里LED始终串联着三极管，三极管也会有功耗的。计算LED始终串联着三极管的回路的总功耗，来算一下LED的功耗效率

效率不会太高，一般不超过70%，所以有没有更高效率的电路呢，请看第三。

3.开关恒流驱动

可调恒流开关电源芯片PT4115为例。https://pf04.ickimg.com/datasheet/upload/2022/02/08/fb814d2181ccf9f2aef95f52f518a7b8.pdf

PT4115是一个Buck恒流源，用于驱动LED，输入电压6~30V（范围大），输出电流1.2A（大），PT4115可以通过选取采样电阻的阻值来设置采样电流，可以调光，待机低功耗，高效率等特点

最简电路图

D为续流二极管；DIM为以后开发留下接口。（续流二极管和电感是buck电路必备的）

续流二极管（也称为 续流二极管 或 飞轮二极管）主要用于保护电路中的开关元件（如晶体管、MOSFET）免受 感性负载（如继电器、电机、电感）断电时产生的 反向电动势 损坏。（断电时把反向电动势（反向高压）钳位在0.7V（导通电压）。）

电感值是为了保证工作在CCM模式（buck电路电感的计算）

实际应用：（LED电压电流与上一个案例一样）

根据LED电流需求，求出电阻的大小。0.66比较小不常见，可以选择并联两个大一点的常见的电阻。

设计LED调光灯思路：

1.了解需求和基本功能

光通量需求：因为作用是照明，所以对亮度是必须有要求。的。

2.方案设计（一步一步实施需求）

要有方案，具体化需求，

1、LED光通量需求（选型）2、LED能驱动点亮（要可调光）3、控制LED调光 4、怎么调光（需求分析，对应选择传感器） 5、供电电压（内部数字电路芯片供电可能需要升压）

所以我们要借鉴学习其他设计的电路，需要用起来能想得到用什么电路或者芯片。

3.灯珠选择和灯板设计

光需求：均匀->选择多几个低功率LED灯；光通量200lm

假如选择这种电流180mA-3个LED并联（180mA降额使用，150mA可以正常运行）三个LED串联总电压9.6V

进行PCB布线时要将导线加宽（方便散热），板越厚越方便散热。

使用稳压电源要注意，电源有没有短路调节短路电流功能。（限制工作电流短路电流）

4.驱动电路选型与设计

先前了解过PT4115，看一下它满不满足LED电路的设计参数（可不可行）

我们的电源只有5V，所以我们要将输入电压升压到12V使他大于9.6V。PT4116电流可以通过调节采样电阻来设置获得150mA。

5.调光控制信号

调光电流效率达不到100%，所以满载电流要设计大一点。由于电路中有电感，电流波形会有波动。峰峰值中间对应的是平均值。

因为这样调光减少电流，所以波形会下移。

还有一种调光方式不会改变光色->PWM调光

对电压也有要求根据模拟调节电流的公式（0.5V<=Vout，Vout>=2.5V）低电平期间保证是LED熄灭的。高电平期间保证是LED点亮的。

PWM信号频率要大于200Hz（保证不会看见LED闪烁）PWM信号频率要大于20KHz（保证耳朵保证听不见声音）

将电位器调节输出电压转换成调节占空比，来输出不同平均电压的PWM波，来实现达到连续调光。

6.实现可调PWM波达到连续调光（用电位器来调光）

实际应用看手册：

https://www.ti.com/cn/lit/ds/symlink/tl494.pdf?ts=1741148880001&ref_url=https%253A%252F%252Fso.szlcsc.com%252Fglobal.html%253Fk%253DTL494%2526hot-key%253DTAXM8M4RDBCCT2T%2526lcsc_vid%253DFVZbVFEFEgcPA11WQ1RWBF1eRlgNBAIDQVRWBVwHQVgxVlNSRlBaX1xVQVhaVDsOAxUeFF5JWBYZEEoVDQ0NFAdIFA4DSA%253D%253Dhttps://www.ti.com/cn/lit/ds/symlink/tl494.pdf?ts=1741148880001&ref_url=https%253A%252F%252Fso.szlcsc.com%252Fglobal.html%253Fk%253DTL494%2526hot-key%253DTAXM8M4RDBCCT2T%2526lcsc_vid%253DFVZbVFEFEgcPA11WQ1RWBF1eRlgNBAIDQVRWBVwHQVgxVlNSRlBaX1xVQVhaVDsOAxUeFF5JWBYZEEoVDQ0NFAdIFA4DSA%253D%253D

1方法得到的PWM波不是很精准的PWM波，他会由于电容的充电曲线导致PWM波的上升沿是曲线。

TL494自动调节PWM波，Dt端为死期时间控制电压端（开关断开时间）加上电压可以改变PWM关断时间。纵轴D为占空比。他们的关系是线性的，所以光的变化是均匀的。因为要保证输出的是PWM波而不是一条直线，所以芯片内部设置了一点死期时间控制电压来保证输出PWM波，所以占空比和电流利用效率不是100%。所以前面的满载电流设置为167mA，167x96%才是亮度最大时的输出电流。

TL494的14脚为输出基准电压5V（稳定），内部有降压处理（输入是7V以上）。然后5伏经过R1和RP1（电位器）分压，来调节输入到Dt脚的电压，来达到调节PWM波的占空比

PWM波的频率可以通过Rt和Ct来调节/设置。

RtxCt为时间常数 $\tau$ ， $\tau$ 为频率的倒数，所以频率f与RtCt有关，因为PT4115输入的PWM波频率要求大于20kHz所以我们先确定输出PWM的频率再来选择Rt和Ct的值，先选择常见的电容容值，再来求出电阻Rt的阻值。

R1和RP1分压，RP1两端的电压就是死区时间电压先确定RP1电位器的阻值，再利用分压公式求出R1的电阻阻值。（因为电位器的为最大阻值时，分得的电压越大，使用要使用电位器的最大电阻来代入分压公式，而且分压后得到的输入电压要约等于3V。）

（E1和E2为发射极）最后还有电压不能使得PWM低电平时电压为0.所以后面还有进行分压处理。

7.分段调光的实现（按键切换LED的档位）

切换PWM波的占空比实际上就是切换死区时间控制电压。找出死区时间控制电压曲线（线性的），对应占空比下的死区时间控制输出电压。

使用电子选择开关电路（CD4017计数器）CD4017CN -PDF数据手册-参考资料-立创商城

CD4017芯片详解与流水灯应用-CSDN博客

C2并联按键(作用消除按键机械抖动，原理电容电压两端不能突变)，R1R2下拉电阻（输出稳定的低电平给CP端）CR复位脚一开始接VCC给C1充电，CR为高电平

最高10档，想要几位档数就在哪一位接正向二极管到复位CR脚。复位到Y0档。

每一档通过电阻分压来达到想要的电压，分压后经过二极管隔离输入到TL494的死区时间控制电压。（引脚电压约等于输入电压12V）

0~3档逐渐变亮，所以0档为灭灯。

8.感应调光（用红外LED设计传感器）

根据上一个CD4017电路在CP端接入红外感应传感器的输出端

电压比较器

9.吹灭功能

吹灭其实就是将CD4017电路复位，复位要给高电平CR脚。MIC是一个MOS管栅极连接一个带电的电容。当我们吹气的时候DS导通，C1正极电压下降，又因为电容两边不能突变，所以电容另一端电压也下降，停止吹气时，C1正极电压上升，另一端电压也上升，上升到大于0.7V时，三极管Q1导通，导致Q2截止，Q2集电极输出高电平（CD4017产生复位信号）。不吹气时，Q1截止，Q2导通，Q2集电极输出低电平（CD4017正常工作）。