LED驅(qū)動原理介紹及應(yīng)用案例

本文首先介紹了特種照明的應(yīng)用環(huán)境，然后，詳細(xì)闡述了利用DC/DC穩(wěn)壓器實現(xiàn)恒壓轉(zhuǎn)恒流設(shè)計的基本原理和實際案例，并說明了大功率LED驅(qū)動器設(shè)計與散熱部分設(shè)計應(yīng)該注意的事項，最后指出了大功率LED新應(yīng)用對驅(qū)動器設(shè)計提出的新要求，給出了國家半導(dǎo)體公司的完整解決方案的指南，它有助于從事LED照明行業(yè)的電子設(shè)計工程師全面掌握最新的LED驅(qū)動器系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。

雖然大功率LED現(xiàn)在還不能大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈，但它們在室內(nèi)外裝飾、特種照明方面有著越來越廣泛的應(yīng)用，因此掌握大功率LED恒流驅(qū)動器的設(shè)計技術(shù)，對于開拓大功率LED的新應(yīng)用至關(guān)重要。LED按照功率和發(fā)光亮度可以劃分為大功率LED、高亮度LED及普通LED。一般來說，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。

恒流驅(qū)動和提高LED的光學(xué)效率是LED 應(yīng)用設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題，本文首先介紹大功率LED的應(yīng)用及其恒流驅(qū)動方案的選擇指南，然后以美國國家半導(dǎo)體(NS)的產(chǎn)品為例，重點討論如何巧妙應(yīng)用LED恒流驅(qū)動電路的采樣電阻提高大功率LED的效率，并給出大功率LED驅(qū)動器設(shè)計與散熱設(shè)計的注意事項。

驅(qū)動芯片的選擇

LED驅(qū)動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分，但它關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的可靠性。目前，美國國家半導(dǎo)體公司的LED驅(qū)動方案主要定位在中高端LED照明和燈飾等市場。燈飾分為室內(nèi)和室外兩種，由于室內(nèi)LED燈所應(yīng)用的電源環(huán)境有AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器兩種方式，所以驅(qū)動芯片的選擇也要從這兩方面考慮。

圖1：利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實現(xiàn)從恒壓驅(qū)動(左圖)到恒流驅(qū)動(右圖)的轉(zhuǎn)換。

1. AC/DC轉(zhuǎn)換器

AC/DC分為220V交流輸入和12V交流輸入。12V交流電是酒店中廣泛應(yīng)用的鹵素?zé)舻碾娫?，現(xiàn)有的LED可以在保留現(xiàn)有交流12V的條件下進(jìn)行設(shè)計。針對替代鹵素?zé)舻脑O(shè)計，美國國家半導(dǎo)體LM2734的主要優(yōu)勢是體積小、可靠性高、輸出電流高達(dá)1A，恰好適合鹵素?zé)魺艨谥睆叫〉奶攸c。

取代鹵素?zé)糁?，LED燈一般做成1W或3W。LED燈與鹵素?zé)粝啾扔袃纱髢?yōu)勢：(1)光源比較集中，1W照明所獲得的亮度等同于十幾瓦鹵素?zé)舻牧炼龋虼吮容^省電；(2) LED燈的壽命比鹵素?zé)糸L。

LED燈的主要弱點是燈光的射角太窄，成本相對較高。但從長遠(yuǎn)來看，由于LED燈的壽命較長，所以還是具有非常大的成本優(yōu)勢。220V AC/DC轉(zhuǎn)換器(例如LM5021)主要鎖定舞臺燈和路燈市場。

圖2：在FB反饋端和RFB之間放置一個運算放大器以降低功耗。

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2. DC/DC轉(zhuǎn)換器

目前，LED手電筒占據(jù)了DC/DC轉(zhuǎn)換器的絕大部分需求量。手電筒采用的LED功率基本上是1W，供電方式包括鋰電池和鎳鋅電池、堿性電池等。3W 手電筒的應(yīng)用一直還存在一些難點，因為3W LED燈本身需要散熱，散熱裝置的體積大，從而在一定程度上削弱了LED燈體積小的優(yōu)勢。此外，由于3W LED燈的電流高達(dá)700mA，一次充電后的電池使用時間縮短。盡管如此，對于上述應(yīng)用國家半導(dǎo)體提供LM3475、LM2623A和LM3485等方案。

礦燈也是LED燈的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，它屬于特種照明行業(yè)，需要專業(yè)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，中國對LED在礦燈領(lǐng)域的應(yīng)用一直都很重視。目前，LED設(shè)計行業(yè)存在對特種行業(yè)的需求認(rèn)識不足的問題，設(shè)計中常采用一些不切實際的、新奇的設(shè)計方案。例如，將LED燈和電池一起嵌入頭盔，卻沒有考慮到礦燈特殊使用環(huán)境的各種需求，這可能是造成LED在礦燈市場的應(yīng)用一直沒有打開局面的重要原因。

對于礦燈LED應(yīng)用，美國國家半導(dǎo)體提供了豐富的DC/DC穩(wěn)壓器產(chǎn)品，包括LM3485、LM3478和LM5010。已經(jīng)用戶采用一顆1W的LED燈，周圍再放6顆普通的高亮度LED燈，構(gòu)成一種具有特殊閃爍功能的礦燈。

總而言之，LED燈在燈飾和特種照明行業(yè)有著廣泛的發(fā)展前景，國家半導(dǎo)體為此提供完整的新型LED驅(qū)動解決方案。

圖3：基于LM2734的恒流驅(qū)動電路。

高效的恒流驅(qū)動電路

恒壓供電的基本電路(圖1左)采用反饋電阻RFB1和RFB2，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時，VFB也隨之變化，DC/DC穩(wěn)壓器通過感知VFB的變化，使輸出電壓維持在一個固定的電平：

V0=(VFB*(RFB1+RFB2))/RFB1 (1)

在圖1右邊電路中，DC/DC穩(wěn)壓器的FB是高阻輸入端，流經(jīng)LED的電流IF為：

IF=VFB/RFB (2)

為保持IF恒定，DC/DC穩(wěn)壓器感知VFB，然后調(diào)整LED正端電壓，使流經(jīng)LED的電流保持恒定。這就是利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)換的原理。

一般來說，DC/DC穩(wěn)壓器對VFB的變化有一個感知的范圍，一旦LED選定，其工作電流IF的大小也就確定了，所選的電阻要保證VFB落在DC/DC穩(wěn)壓器容許的范圍內(nèi)。

以VFB等于1.25V為例，假設(shè)IF分別為15mA、350mA和700mA，采樣電阻的功耗將分別小于20mW、400mW和800mW。對于1W的LED來說，采樣電阻的功耗分別占到總電源消耗的2%、40%和80%。因此，采樣電阻的設(shè)計對提高LED的功效至關(guān)重要，它應(yīng)該選取盡可能小的數(shù)值。

圖4：從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設(shè)計。

由于直接將RFB連接FB端會造成RFB的功耗過大，所以在FB端和RFB之間放置一個運算放大器，以放大RFB采集到的電壓VTAP(圖2)。

IF=VTAP/RFB=(VFB/RFB)*(1+RF/RI) (3)

通常，1W大功率LED的典型工作電流為350mA，如果選擇RFB等于1歐姆，則RFB的功耗為：

PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W (4)

考慮運算放大器本身的功耗，RFB及其附屬電路的功耗大約為1W LED功率的12%。這樣就能在確保LED獲得恒流供電的同時，將RFB的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓盡可能大，流經(jīng)的電流也盡可能大。國家半導(dǎo)體按照這個原理工作的穩(wěn)壓器有LM2736和LM2734。

LM2734是1A降壓型穩(wěn)壓器。基于LM2734的恒流驅(qū)動電路(圖3)利用LM321運算放大器獲取采樣電阻Rset上的電壓，結(jié)合其它電阻和電容就可以構(gòu)成一個完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動電路。在實際使用中，有些LED恒流驅(qū)動電路可以直接從采樣電阻獲取反饋電壓，如圖4所示。

圖3中采樣電阻Rset決定了恒流驅(qū)動電路的設(shè)計，而且對整個系統(tǒng)的效率有重要影響，因此仔細(xì)設(shè)計Rset對節(jié)省能源至關(guān)重要。圖3和圖4的詳細(xì)設(shè)計文件請向國家半導(dǎo)體當(dāng)?shù)厥跈?quán)分銷商索取。

一般來說，如果要求LED驅(qū)動電流的變化不超過標(biāo)稱值的5%至10%，那么采用精度為2%的電阻就足夠了。LED驅(qū)動電流的典型波動范圍是正負(fù)10%。由于采樣電阻消耗的功率較大，應(yīng)避免使用功率較小的貼片電阻。此外，LM3478方案適用于多個大功率LED的恒流驅(qū)動，而基于LM5021的恒流驅(qū)動設(shè)計方案則針對220V AC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

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恒流驅(qū)動與散熱的考慮

就電子系統(tǒng)設(shè)計而言，工程師在設(shè)計LED恒流驅(qū)動電路時首先要了解LED的恒流參數(shù)。目前LED芯片的制造商很多，國內(nèi)外LED的差異主要在于相同電參數(shù)的情況下，流明數(shù)可能不同，因此設(shè)計工程師要清楚地認(rèn)識到LED功率并不是決定發(fā)光效率的唯一參數(shù)。例如，同樣是1W的LED，有的LED可以達(dá)到40流明的亮度，而有的只能達(dá)到20流明的亮度，這是因為LED光學(xué)效率還取決于材料和制作工藝等諸多環(huán)節(jié)。

有些設(shè)計工程師為提高發(fā)光效率而采取加大驅(qū)動電流的辦法，例如，對于同一顆1W LED，加大驅(qū)動電流后，亮度可以從20流明提高到40流明，但是LED的工作溫度也相應(yīng)升高了。一旦溫度超過LED的限溫點，就會影響LED的壽命和可靠性，這是設(shè)計恒流驅(qū)動過程中需要注意的重要問題。

此外，LED照明系統(tǒng)的光學(xué)效率不僅僅取決于LED恒流驅(qū)動方案，還與整個系統(tǒng)的散熱設(shè)計密切相關(guān)。為縮小體積，某些LED恒流驅(qū)動系統(tǒng)將LED驅(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)計，這樣容易影響可靠性。

一般來說，LED照明系統(tǒng)的熱源基本就是LED燈本身的熱源，熱源太集中會產(chǎn)生熱損耗，因此LED驅(qū)動電路不能與散熱系統(tǒng)緊貼在一起。建議采取下列散熱措施：LED燈采用鋁基板散熱；功率器件均勻排布；盡可能避免將LED驅(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)計；抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗；提高LED芯片的散熱順暢性以降低熱阻抗。

表1：大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢。

新應(yīng)用對驅(qū)動器的要求

大功率LED被稱為“綠色光源”，它將向大LED電流(300mA 至1.4A)、高效率(60至120 流明/瓦)、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。

由于大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢(表1)，所以發(fā)展前景非常廣闊，其中最被看好的照明應(yīng)用是汽車、醫(yī)療設(shè)備和儀器儀表及其它特種照明環(huán)境。但這些應(yīng)用對LED驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計也提出了新的要求，包括：輸入電壓范圍一般要求為6V到24V；具有沖擊負(fù)載保護(hù)、反相和過壓保護(hù)；待機(jī)功耗非常低；低帶隙基準(zhǔn)以減少電流檢測損耗以及具有PWM調(diào)整亮度的功能等。

針對這些需求，美國國家半導(dǎo)體公司提供了全系列LED驅(qū)動器設(shè)計方案(見表2)，可以為用戶提供全面的LED驅(qū)動器解決方案。

LED照明系統(tǒng)需要借助于恒流供電，目前主流的恒流驅(qū)動設(shè)計方案是利用線性或開關(guān)型DC/DC穩(wěn)壓器結(jié)合特定的反饋電路為LED提供恒流供電，根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設(shè)計的差異，又可以分為電感型LED驅(qū)動器和開關(guān)電容型LED驅(qū)動器。電感型升壓驅(qū)動器方案其優(yōu)點是驅(qū)動電流較高，LED的端電壓較低、功耗較低、效率保持不變，特別適用于驅(qū)動多只LED的應(yīng)用。在大功率LED驅(qū)動器設(shè)計中，主要采用開關(guān)電容型LED驅(qū)動方案，其優(yōu)點是LED兩端的電壓較高、流過的電流較大，從而獲得較高的功效及光學(xué)效率。先進(jìn)的開關(guān)電容技術(shù)還能夠提高效率，因而在大功率LED驅(qū)動中應(yīng)用廣泛。

表2：美國國家半導(dǎo)體的LED驅(qū)動器解決方案一覽表。

本文小結(jié)

大功率LED照明技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，因而受到普遍的關(guān)注和投資者的追捧?，F(xiàn)階段，由于LED芯片設(shè)計和制造技術(shù)及材料等諸多因素的限制，它暫時還不能完全取代傳統(tǒng)的白熾燈，因而人們更為關(guān)注大功率LED在特種照明中的應(yīng)用。