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TOP1 低壓便攜設(shè)備LED驅(qū)動電路設(shè)計攻略
本文著重介紹半導(dǎo)體采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、用于低壓便攜設(shè)備背光或指示器應(yīng)用的各種白光或RGB LED驅(qū)動器，并專門介紹了用于要求大電流能力的便攜設(shè)備閃光應(yīng)用的驅(qū)動器，以及集成了多種功能的照明管理集成電路和針對扣式電池優(yōu)化了的 LED驅(qū)動器，方便工程師結(jié)合具體應(yīng)用選擇適合的產(chǎn)品。
白光LED廣泛用于小型液晶顯示器（LCD）面板及鍵盤背光以及指示器應(yīng)用。高亮度LED則用于手機和數(shù)碼相機的閃光光源。這些應(yīng)用需要優(yōu)化的驅(qū)動器解決方案，能夠延長電池使用時間、減小印制電路板（PCB）面積及高度。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，常見的LED驅(qū)動器方案涉及線性、電感型或電荷泵型不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各有其特點。例如，電感型方案總能效最佳;電荷泵方案由于使用低高度陶瓷電容，占用的電路板面積和高度極小; 線性方案非常適合色彩指示器以及簡單的背光應(yīng)用。所有這三種類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動器方案（參見圖1），滿足用戶不同的應(yīng)用需求。
圖1：低壓便攜設(shè)備應(yīng)用的不同LED驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例
在電荷泵型方案方面，半導(dǎo)體提供支持不同調(diào)光類型的產(chǎn)品，如單模、雙模、三?；蛩?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1180/" target="_blank">模電荷泵方案等，如CAT3200、 NCP5602、NCP5612、NCP5623、CAT3606、CAT3616、CAT3626、CAT3603、CAT3604、CAT3614、 NCP5603等。以NCP5623為例，這是一款采用 2.0 mm×2.0 mm×0.55 mm LLGA-12無鉛封裝的高能效LED驅(qū)動器，帶有I2C接口，內(nèi)置漸進調(diào)光功能，特別設(shè)計用于驅(qū)動手機等便攜產(chǎn)品中的RGB LED裝飾光和增強型LCD背光。NCP5623實現(xiàn)94%峰值能效和低于1微安的待機電流，將便攜設(shè)備電池工作時間延至最長。對典型應(yīng)用而言，該器件除了具備極小型IC封裝的優(yōu)勢之外，兼具僅需4個無源元件就能工作的特點。該器件還具備短路和過壓保護功能，在LED失效時保護系統(tǒng)。
在電感升壓型方案方面，安森美半導(dǎo)體提供采用PWM調(diào)光方式的不同產(chǎn)品，如輸出電流在20 mA到50 mA之間的CAT32、CAT37、CAT4137、CAT4139、CAT4237、CAT4238和NCP5005、NCP5010，以及提供更大輸出電流的CAT4240（250 mA）、NCP5050（600 mA）和NCP1422（800 mA）等。這些電感升壓型驅(qū)動器適合在低壓便攜設(shè)備背光和閃光應(yīng)用中驅(qū)動白光LED。
在線性背光驅(qū)動器方案方面，安森美半導(dǎo)體提供2到 4個通道的多款單模LED驅(qū)動器，如CAT4002A、CAT4002B、 CAT4003B、CAT4004A和CAT4004B等。這些背光驅(qū)動器提供32級調(diào)光控制，提供25 mA的固定或可調(diào)節(jié)輸出電流和低于1 μA的極低關(guān)閉電流，而且沒有開關(guān)電源噪聲問題。這些單模LED驅(qū)動器通常作為系統(tǒng)級方式的一部分，用于設(shè)計集成低電壓LED和簡單LED驅(qū)動器的背光電路。這些驅(qū)動器電路簡單，幫助延長電池使用時間、降低成本（如節(jié)省外部電容）及降低噪聲，為入門級便攜產(chǎn)品及低成本手機市場提供一種簡單的方案。
圖2：CAT4002B應(yīng)用電路圖。
專門用于相機閃光的LED驅(qū)動器方案
值得一提的是，在相機閃光應(yīng)用中，除了可以使用NCP5005和CAT4134這樣的電感升壓型驅(qū)動器，還可以使用NCP5680和 CAT3224這樣的電荷泵型驅(qū)動器，從而支持高百萬像素相機閃光，以及替代氙氣閃光，配合纖薄設(shè)計。其中，NCP5680和CAT3224均是基于超級電容的LED驅(qū)動器，分別可提供10 A和4 A的大閃光電流。
實際上，如今的500萬像素或更高分辨率的相機為了在弱光下拍得高分辨率的照片，需要高亮度的閃光。當(dāng)今的白光LED能夠提供這個等級的光能，但需要比相機電池能提供的能量高出近400%。以安森美半導(dǎo)體的NCP5680為例，這器件配合電池管理一顆超級電容來驅(qū)動LED閃光至充分亮度，提供達10 A的大峰值電流。NCP5680中的集成驅(qū)動器還管理超級電容，處理其它峰值功率功能，如變焦、自動對焦、音頻、視頻、無線傳輸、GPS數(shù)據(jù)讀取及射頻 （RF）放大，延長電池使用時間而不放棄纖薄型設(shè)計。NCP5680集成了超級電容充電、浪涌電流管理和LED電流控制所需的全部電路，節(jié)省設(shè)計人員的開發(fā)時間、電路板空間及元器件成本。
圖3：業(yè)界首款單芯片4 A超級電容LED驅(qū)動器CAT3224應(yīng)用電路圖。
CAT3224則是業(yè)界首款4 A單芯片超級電容LED驅(qū)動器（見圖3），集成了雙模1x/2x電荷泵，提供三項關(guān)鍵功能：精密的超級電容充電控制、電流放電至LED閃光的管理，以及為 LED手電筒模式提供恒流。這三種模式的工作電流能以3顆外部電阻作簡易編程，能吸收達4 A的LED閃光脈沖電流。超級電容技術(shù)的高峰值電流優(yōu)勢，結(jié)合CAT3224簡單的并行邏輯接口，使這器件成為采用LED替代氙氣燈的應(yīng)用的極佳選擇。
其它新穎LED驅(qū)動/控制器
在低壓便攜設(shè)備應(yīng)用方面，除了上述LED驅(qū)動器，安森美半導(dǎo)體還提供其它一些新穎的產(chǎn)品，如NCP5890和CAT3661。其中，NCP5890是一款獨特的照明管理集成電路（LMIC），以3 mm x 3 mm x 0.5 mm的極小型封裝中集成了液晶顯示器（LCD）背光、裝飾光控制和環(huán)境光感測功能。
眾所周知，當(dāng)今的便攜電子產(chǎn)品很流行較大的LCD屏幕和LED照明效果。為了滿足所有這些照明要求，硬件設(shè)計人員通常需要采用數(shù)個LED驅(qū)動器。由于電路板空間有限，要實現(xiàn)更先進的照明效果，通常需要大量的軟件編程和微控制器（MCU）資源。安森美半導(dǎo)體提供NCP5890這樣的更簡單單芯片硅解決方案，具有多種以指令控制實現(xiàn)的照明效果，幫助硬件設(shè)計工程師滿足他們特定的照明和電源設(shè)計目標(biāo)。這款照明管理IC具有30 V輸出電壓能力，驅(qū)動串聯(lián)LED，實現(xiàn)對LCD屏幕的均衡背光。此外，這器件控制三組白光 LED或RGB LED，在鍵盤或底盤上營造出裝飾光圖案，與背光形成獨特的組合。這驅(qū)動器還根據(jù)環(huán)境光的亮度來調(diào)節(jié)背光電流，從而延長電池使用時間。NCP5890是緊湊型智能手機等應(yīng)用的專用解決方案。
圖4：針對扣式電池優(yōu)化的CAT3661 LED驅(qū)動器應(yīng)用電路圖。
如今，越來越多的創(chuàng)新型便攜設(shè)備采用扣式電池（coin cell）供電，如醫(yī)療應(yīng)用中的血糖儀、數(shù)字體溫計、血氧計、呼吸分析儀和生理監(jiān)測儀等。由于這種電池的獨特特性以及需要長工作壽命，這些緊湊型應(yīng)用需要定制的LED驅(qū)動器，不僅要管理背光，還要監(jiān)測電池電量。在這類應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體計劃于2010年下半年推出的CAT3661 2至2.5 V單LED驅(qū)動器。這器件同樣采用安森美半導(dǎo)體專利的四模（Quad Mode）電荷泵架構(gòu)，能效高達92%，靜態(tài)電流低至約150 μA，提供可調(diào)節(jié)的低電池電量檢測功能，以及強固的LED故障監(jiān)測、軟啟動和短路限制等保護功能，采用低高度的3 x 3 mm TQFN-16封裝，非常適合這些便攜設(shè)備應(yīng)用。
TOP2 內(nèi)置電源LED日光燈應(yīng)用電路設(shè)計方案
目前，幾乎市場上所有LED日光燈的電源都是采用內(nèi)置式。所謂內(nèi)置式就是指電源可以放在燈管里面。這種內(nèi)置式的最大優(yōu)點就是可以做成直接替換現(xiàn)有的熒光燈管，而無需對原有電路作任何改動。所以內(nèi)置式電源的形狀通常都是做成長條形，以便塞進半圓形的燈管中去。隔離式是指在輸入端和輸出端有隔離變壓器隔離，這種變壓器可能是工頻也可能是高頻的。但都能把輸入和輸出隔離起來。可以避免觸電的危險。也容易通過CE或UL認(rèn)證。
內(nèi)置電源LED日光燈的耗電
采用內(nèi)置式電源的最大優(yōu)點就是可以直接替換現(xiàn)有熒光燈而不需要對原有的接線做任何改變。那么內(nèi)置式的這種優(yōu)點是不是也付出一定的代價呢？的確如此，而且這個代價還不小。這要從普通熒光燈的鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)說起：我們知道，最普通的熒光燈的起輝是采用一個串聯(lián)的鐵芯電感和一個并聯(lián)的起輝器（圖 3a）。對于這種電路在用LED日光燈直接替換時，只要拔掉起輝器就可以了。但是由于鐵芯電感仍然串聯(lián)在電路中，所以它仍然帶來將近 6.4W（Philip）到10W（國產(chǎn)）的損耗，結(jié)果由于這部分的額外損耗就大大降低了LED的節(jié)電功效。例如，本來一個20W的LED日光燈可以取代一個36W的熒光燈，以內(nèi)置非隔離式的20W LED日光燈為例，實測結(jié)果如下。
?。╞）電子鎮(zhèn)流器
圖3. 熒光燈電源電路圖
也就是說，直接換的結(jié)果是效率大大降低，對于國產(chǎn)電感鎮(zhèn)流器，效率只有56.2%。只比普通熒光燈節(jié)電6.8W。這使得LED日光燈的節(jié)電效能大打折扣，以致合同能源管理（EMC）難以執(zhí)行。
散熱和壽命
這種半圓柱的表面積為：2πR*h/2=πR*h。對于T8燈管來說，它的直徑為26mm，所以半徑為13mm。1.2米的T8燈管，其表面積為：π*1.3+120=490cm2，我們知道LED散熱器的表面積通常要求60cm2/W。，所以這種半鋁管只能散8W左右的熱量。而T8型 LED日光燈通常輸入功率為20W，假定LED的發(fā)光效率只有20%，那么有16W的輸入電功率都變成熱量。而現(xiàn)在只能散去8W的熱量，而還有8W的熱量無法散去，其結(jié)果就是使得LED的結(jié)溫升高，壽命縮短。
不僅如此，由于電源內(nèi)置，電源的熱量也就加入到管內(nèi)，假定電源的效率為88％，所以就有2.4W的熱量也要散去，相當(dāng)于又要增加30％的熱量，也就是說一共有10.4W的功率無法散發(fā)出去。使得LED的散熱又增加的一份困難，或者說，使得LED的使用壽命也更加縮短。而且，電源的長度大約為燈管長度的五分之一，電源所發(fā)的熱也集中在這一段里面，使得靠近電源的這些LED受到更熱的烘烤，因而壽命也比其他地方的LED更短，燈管在損壞時，靠近電源的一段先黑掉?？梢哉J(rèn)為，內(nèi)置電源的LED日光燈的壽命不會高于10，000小時。而且把電源放到管子里面，電源本身還要承受由LED產(chǎn)生的很高的環(huán)境溫度，這就大大降低了電源里的電解電容的壽命，也就降低了整個燈具的壽命。
使用成本
因為內(nèi)置電源的LED日光燈壽命只有10，000小時，和外置電源的50，000小時相比，其使用成本顯然高了5倍。不僅如此，在使用過程中，不管是 LED損壞了，還是電源損壞了，通常兩個都要一起丟棄。而外置式電源的LED日光燈，則可以壞了哪個丟哪個。此外，內(nèi)置電源式也增加了電子垃圾的回收處理的成本。因為必須把電源部分拆出來再分別處理。外置式電源，不僅效率高、壽命長，而且還可以增加手動調(diào)光或自動調(diào)光等特殊功能，這些都是內(nèi)置式所無法比擬的！可以認(rèn)為，內(nèi)置式的缺點和問題是很嚴(yán)重的，遺憾的是，有些人只是貪圖它在購買時可能便宜10%，而不顧其使用成本高5倍以上。真可謂是為小失大，得不償失！
LED電源次級恒流經(jīng)典電路TOP6
本文就對LED照明電源當(dāng)中次級恒流的一些常見方法進行了總結(jié)。LED驅(qū)動電源將直接決定LED燈的可靠性與壽命，作為電源工程師，我們知道LED的特性需要恒流驅(qū)動，才能保證其亮度的均勻，長期可靠的發(fā)光?！∈紫任覀兿葋碚?wù)劚容^流行的TL431的幾種恒流方式。
單個TL431恒流電路
如上圖，即是利用單個TL431恒流的示意圖。這種電路的原理非常簡單，主要利用了431的2.495V的基準(zhǔn)來做恒流，并且同樣限制了LED上面的壓降，但優(yōu)點與缺點同樣明顯。
優(yōu)點：電路簡單，元器件少，成本低，因為TL431的基準(zhǔn)電壓精度高，R12，T13只要采高精度電阻，恒流精度比較高。
缺點：由于TL431是2.5V基準(zhǔn)，故恒流取樣電路的損耗極大，不適合做輸出電流過大的電源。而此電路的致命缺陷是不能空載，故不適合做外置式的LED電源，所以下面我們對線路的一些缺陷進行了改進。
單個TL431恒流改進型電路
如上圖，即是利用單個TL431恒流的改進型示意圖
原理：此電路同樣是利用了TL431的2.495V的基準(zhǔn)來做恒流，跟上面的電路不同點在于減少了電流取樣電路的電壓，只要合計設(shè)計R12，R13，R14的值，可以限制LED上面的壓降。
優(yōu)點：電路簡單，元器件少，成本低，跟上面電路相比，顯著降低了取樣電阻的功耗，恒流精度很高，克服了上面的電路不能空載的致命缺陷，當(dāng)有個別LED擊穿時，可以自動調(diào)整輸出電壓。
缺點：當(dāng)輸出空載時，輸出電壓會有上升，上升幅度由電流取樣電路電阻與R12，R13的比值決定。
其實這個電路的真正缺點是：當(dāng)單個LED的壓降一致性不高時，恒流點也會相應(yīng)發(fā)生變化。比如最常見的12串的LED燈，最低壓降為35.5V左右，最高回到37.4V左右（個人的經(jīng)驗，當(dāng)然不同廠家的情況會不一樣），那么恒流精度就會相差到5%-8%。
TOP3 兩個TL431恒流電路
從圖中我們可以看到，左邊ZENER可透過Photo限制達恒壓效果，但不是保護Shutdown而是一直卡著右邊ZENER。很難灌350mA到Currentsensor。這個電路還有個最大特點是：在某個范圍內(nèi)可以精確的恒壓恒流。
3個TL431恒流電路
其實這個電路是在原本電路基礎(chǔ)上增加了一個恒壓電路而已。
三極管恒流方案
此圖原理是通過改變?nèi)龢O管的IB電流來控制LED中的電流，同樣存在損耗大的缺點。
LM358恒流電路
此電路的優(yōu)點是電路相對比較簡單，恒流精度極高，不受溫度影響，成本較低，是目前大部分廠家使用的經(jīng)典電路，你把它看成一個反向比例運算放大器就明白妙處了。其實LED電源的次級恒流的變化是比較多的，在這里為大家列舉的電路也許并不完全，只是挑選了一些比較經(jīng)典的電路來進行分析。
TOP4 LED直接驅(qū)動電路防護應(yīng)用設(shè)計攻略
LED燈具有高效、可靠、低耗能等特點，有著非常廣泛的用途，常用來做照明、顯示、信號燈等等。 但由于LED使用環(huán)境的復(fù)雜性，尤其是當(dāng)LED是用在戶外時，其驅(qū)動電路非常容易遭受到過電壓和過電流的沖擊而造成故障或損壞，引發(fā)不必要的財產(chǎn)損失甚至是人員傷亡，因此在設(shè)計LED驅(qū)動電路時必須要充分考慮并做好保護措施，從而提高電路的可靠性，降低故障發(fā)生率， 下面就LED驅(qū)動電路的防護進行簡單的探討。
LED驅(qū)動電路一般由幾個部分構(gòu)成， 包括AC輸入、整流，、DC/DC轉(zhuǎn)換、等模塊， 根據(jù)各個模塊電壓和電流及可能遭受到的浪涌情況的不同需要分開來做有針對的防護。
1、LED驅(qū)動電路浪涌保護應(yīng)用
在交流電源AC輸入端浪涌保護方案，可以采用壓敏電阻（MOV） 或加氣體放電管（GDT/SPG）組合來進行設(shè)計。在有接地的情況下，可以采用如圖1差共模同時防護的理念，在L-N之間并聯(lián)壓敏電阻（MOV），可以有效地抑制差模所產(chǎn)生的浪涌過電壓，起到對后級電路保護，在L/N-PE之間分別采用MOV 或MOV+GDT/SPG對地的電路連接方式可以有效的將共模浪涌能量泄放到大地， 防止浪涌引入到后級電路而造成損壞;如果在電源沒有接地線情況下，如圖2則在L-N線間可直接并聯(lián)壓敏電阻進行差模防護即可。為了避勉MOV保護元件在防護失效之后，出現(xiàn)短路失效著火燃燒的可能性，可以使用TMOV或PMOV進行保護。針對上面 MOV交流耐受電壓選擇至少要高于線路最大交流工作電壓1.2~1.4倍，以避勉誤動作，在有同時使用放電管GDT/SPG時，放電管擊穿電壓的下限值必須至少高于電路的最大峰值電壓，耐受電流必須根據(jù)自身浪涌等級的需求選擇不同電流等級，以符合于浪涌測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2、AC/DC后防護電路示意圖
在有交流經(jīng)過整流后，后端直流電路中的芯片對過壓和過流非常敏感，芯片易受損壞，如圖3所示，經(jīng)整流之后并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管TVS， 在有過壓產(chǎn)生時，TVS會以皮秒級的反應(yīng)速度動作而把過高電壓鉗制在一個安全的范圍內(nèi)，從而保護后端芯片免受過壓的沖擊。異常電流可以通過在電路中設(shè)計自恢復(fù)保險絲PPTC進行防護，PPTC在過流產(chǎn)生時阻抗能迅速的變大，從而有效地阻斷異常電流，直至故障排除PPTC就可繼續(xù)恢復(fù)低阻狀態(tài)，使電路能繼續(xù)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。TVS選用時截止電壓一般為正常工作電壓峰值的1.2~1.4倍即可，TVS功率大小要根據(jù)過壓的能量選擇合適的等級。PPTC選擇要結(jié)合電路工作電流及電壓進行參考以及環(huán)境溫度也是影響PPTC選擇一個重要關(guān)鍵指標(biāo)，PPTC的保持電流會隨著應(yīng)用環(huán)境溫度的升高而降低。PPTC在電路中的位置一般串聯(lián)在TVS前端，這樣PPTC不僅可以對電路芯片有效的起到保護作用同時又可以對TVS管起到一定保護作用，可以大大的提高TVS管的使用壽命。
3、LED直接驅(qū)動電路防護示意圖
LED發(fā)光的亮度是由通過LED的電流大小來控制， 不穩(wěn)定的電流又極易燒壞LED，如圖4在DC/DC模塊后可以在電路中串聯(lián)恒流二極管來獲得穩(wěn)定的電流，，這樣不僅可以使LED獲得穩(wěn)定的亮度，，又不至于因電流的不穩(wěn)定而燒壞LED。低功率的LED燈工作電流一般為10mA到30mA，大功率的LED燈工作電流從200mA到1400mA不等，可以根據(jù)所需要的工作電流選擇型號合適的恒流二極管。由于LED燈也易遭受到靜電放電過壓的干擾受損， 因此DC/DC電路后端的LED燈也需要做一定的有效過壓防護，一般采用TVS管就可以。
4、LED燈串起防護示意圖
當(dāng)多個的LED燈通過串聯(lián)的方式進行連接時， 如圖5所示，一旦出現(xiàn)LED燈出現(xiàn)失效開路故障，整個LED燈都會因為此故障而影響到其它LED燈正常工作，為了解決這個問題， 可以針對每個LED燈上并聯(lián)一個防開路的LED保護器件Tx，這樣就可充分的提高每個LED的使用效率，當(dāng)單個LED出現(xiàn)失效開路故障時， 與之并聯(lián)的LED開路保護器件Tx會立即導(dǎo)通， 使之可持續(xù)的維持處于通態(tài)，從而保證了電路中其它串聯(lián)的LED不因單顆LED的開路故障而熄滅，但此防護措施成本相對比較高。
綜上所述， LED驅(qū)動電路一般由AC輸入、整流，、DC/DC轉(zhuǎn)換、等模塊組成，從而一個LED驅(qū)動電路大致整體的防護方案可以參考如圖6所示：
圖6 LED驅(qū)動電源整體防護示意圖
在實際應(yīng)用中，浪涌保護元件型號的選擇與電路的工作電壓電流，電路要做的雷擊浪涌測試等級標(biāo)準(zhǔn)，工作環(huán)境， 芯片的參數(shù)等諸多因素有著密切的關(guān)系， 因此在考慮和設(shè)計LED驅(qū)動電路防護時，必須要進行綜合的考量分析，才能有針對性的設(shè)計出比較合理的防護方案。
TOP5 采用LM836的LED數(shù)碼管驅(qū)動電路原理分析
如下圖所示為數(shù)碼顯示日歷時鐘電路。它能同時顯示月、日、時、分、秒和星期，月、日、星期自動轉(zhuǎn)換，每天可定鬧2次，有59min以內(nèi)的睡眠定時功能。該日歷時鐘走時準(zhǔn)確，調(diào)校方便，夜間看時清楚，制作容易。
工作原理：
該電路的核心IC1是一片PMOS大規(guī)模集成電路LM8364。4腳為12/24小時制選擇端，高電平為24小時制。6腳懸空時應(yīng)從7腳輸入60Hz時基信號，接高電平時應(yīng)從7腳輸入50Hz時基信號。5、8、9、10、11、12、14、16、18腳分別接高電平時，可實現(xiàn)其相應(yīng)的功能。當(dāng)鬧或睡眠定時信號到來時，17腳、42腳或15腳輸出的是可持續(xù)59min的高電平信號，控制VT4，再由VT4控制蜂鳴器。當(dāng)然VT4也可控制其他電路（如繼電器，收音機）。2、3、20～41腳可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管作顯示。這些引腳除了能輸出“時分”信號外，還能輸出“月日”和“秒”信號，這些引腳是公用的。把 5腳和10腳同時接高電平，將在“時分”輸出端輸出電路“月日”；把10腳接高電平5腳接低電平，將在“分”輸出端輸出“秒”，圖中的IC2是一片 COMS十進制計數(shù)/分配器集成電路CD4017，就是為IC1的5腳、10腳適時提供高電平的，這樣IC1就快速反復(fù)地輸出月日、時分、秒信號。IC2 還控制著VTl～VT3，使數(shù)碼管顯示某一內(nèi)容時其他內(nèi)容不顯示。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，將觀察不到數(shù)碼管的閃爍，看到的是月日時分秒同時顯示。IC2 還起到調(diào)校選擇的作用。按下AN1，顯示內(nèi)容將被鎖定（隨機性的），顯示內(nèi)容就是當(dāng)前可調(diào)校的內(nèi)容。反復(fù)按下AN1，可選擇需要調(diào)校的內(nèi)容。IC3是一片 CMOS14位二進制串行計數(shù)分頻和振蕩集成電路CD4060，以它為核心構(gòu)成時基信號發(fā)生電路，分別給IC1和IC2提供60Hz和240Hz的時基信號。該電路決定時鐘走時精度，可微調(diào)C2，使日誤差在0.3s之內(nèi)。若要進一步提高走時精度，應(yīng)穩(wěn)定IC3的工作電壓；或采用其他50Hz或60Hz時基信號發(fā)生電路，使用諧振頻率更高的晶振。
以IC4的CD4017為核心構(gòu)成星期顯示電路。IC4的時基信號（天）由IC1的42腳（鬧 2）提供，它的復(fù)位端（15端）接第7個輸出端（6腳），這樣當(dāng)IC1的42腳輸出高電平時，IC4的輸出端3、2、4、7、10、1、5腳依次變?yōu)楦唠娖?，直接?qū)動發(fā)光二極管顯示星期。在該電路中，星期天的顯示沒有用3腳的高電平，而是由電源經(jīng)電阻R3限流后提供電流，這樣表示星期天的LED就一直亮著，提供參照物，使夜晚看星期更方便準(zhǔn)確。由于IC1的鬧2時間往往不設(shè)置在零點，所以星期的轉(zhuǎn)換可能會滯后幾小時，但對使用沒有大的影響。若每天需定鬧 2次，須將鬧2設(shè)置在鬧1之前；若每天只需定鬧1次，那么正好把鬧2設(shè)置在零點，斷開R10，用鬧2來根供準(zhǔn)確的顯示星期用時基信號，只用鬧1來實現(xiàn)定鬧功能。
當(dāng)交流供電中斷時，由電池繼續(xù)給IC1、IC3、IC4供電，定時、計時功能保持，但IC2停止工作，VT1、VT2、VT3截止，LED顯示部分不亮，這樣可以延長電池供電時間。在用交流供電時，可通過R1給電池充電。
元器件選擇：
集成電路IC1選擇LM8364，IC2選擇CD4017B，IC3選擇CD4060B，IC4選擇CD4017B。三極管要選用NPN型的，放大倍數(shù)大些為好。顯示用的10個LED數(shù)碼管和9個發(fā)光二極管應(yīng)選用高亮或超高亮度型的，數(shù)碼管選用共陰極型的。顏色及尺寸大小可根據(jù)自已的愛好選用。例如：顯示日期用綠色0.8英寸數(shù)碼管，顯示時間用0.8英寸紅色數(shù)碼管，顯示秒用0.56英寸紅色數(shù)碼管，發(fā)光二極管中心一個選用紅色，環(huán)形6個選用綠色，兩個選用黃色二極管。電池可選用3.6V60mAh的鎳鎘電池。蜂鳴器應(yīng)選用7.5V或9V小型的。8個按鈕可直接選用電視選臺用的8位自鎖開關(guān) （須去掉彈簧，使之失去自鎖功能）。變壓器應(yīng)選用功率3W次級交流電壓是9V的。
LED驅(qū)動照明電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計詳解
圖 1顯示了三種基本的電源拓?fù)涫纠Ｔ趫D1中，降壓穩(wěn)壓器會通過改變MOSFET的開啟時間來控制電流進入LED。電流感應(yīng)可通過測量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應(yīng)與LED串聯(lián)。對該方法來說，重要的設(shè)計難題是如何驅(qū)動 MOSFET。從性價比的角度來說，推薦使用需要浮動柵極驅(qū)動的N通道場效應(yīng)晶體管（FET）。這需要一個驅(qū)動變壓器或浮動驅(qū)動電路（其可用于維持內(nèi)部電壓高于輸入電壓）。
圖1還顯示了備選的降壓穩(wěn)壓器。在此電路中，MOSFET對接地進行驅(qū)動，從而大大降低了驅(qū)動電路要求。該電路可選擇通過監(jiān)測FET電流或與LED串聯(lián)的電流感應(yīng)電阻來感應(yīng)LED電流。后者需要一個電平移位電路來獲得電源接地的信息，但這會使簡單的設(shè)計復(fù)雜化。另外，圖1中還顯示了一個升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可在輸出電壓總是大于輸入電壓時使用。由于MOSFET對接地進行驅(qū)動并且電流感應(yīng)電阻也采用接地參考，因此此類拓?fù)湓O(shè)計起來就很容易。該電路的一個不足之處是在短路期間，通過電感器的電流會毫無限制。您可以通過保險絲或電子斷路器的形式來增加故障保護。此外，某些更為復(fù)雜的拓?fù)湟部商峁┐祟惐Ｗo。
圖 2顯示了兩款降壓-升壓型電路，該電路可在輸入電壓和輸出電壓相比時高時低時使用。兩者具有相同的折衷特性（其中折衷可在有關(guān)電流感應(yīng)電阻和柵極驅(qū)動位置的兩個降壓型拓?fù)渲酗@現(xiàn)）。圖2中的降壓-升壓型拓?fù)滹@示了一個接地參考的柵極驅(qū)動。它需要一個電平移位的電流感應(yīng)信號，但是該反向降壓-升壓型電路具有一個接地參考的電流感應(yīng)和電平移位的柵極驅(qū)動。如果控制IC與負(fù)輸出有關(guān)，并且電流感應(yīng)電阻和LED可交換，那么該反向降壓-升壓型電路就能以非常有用的方式進行配置。適當(dāng)?shù)目刂艻C，就能直接測量輸出電流，并且MOSFET也可被直接驅(qū)動
該降壓-升壓方法的一個缺陷是電流相當(dāng)高。例如，當(dāng)輸入和輸出電壓相同時，電感和電源開關(guān)電流則為輸出電流的兩倍。這會對效率和功耗產(chǎn)生負(fù)面的影響。在許多情況下，圖3中的“降壓或升壓型”拓?fù)鋵⒕徍瓦@些問題。在該電路中，降壓功率級之后是一個升壓。如果輸入電壓高于輸出電壓，則在升壓級剛好通電時，降壓級會進行電壓調(diào)節(jié)。如果輸入電壓小于輸出電壓，則升壓級會進行調(diào)節(jié)而降壓級則通電。通常要為升壓和降壓操作預(yù)留一些重疊，因此從一個模型轉(zhuǎn)到另一模型時就不存在靜帶。
當(dāng)輸入和輸出電壓幾乎相等時，該電路的好處是開關(guān)和電感器電流也近乎等同于輸出電流。電感紋波電流也趨向于變小。即使該電路中有四個電源開關(guān)，通常效率也會得到顯著的提高，在電池應(yīng)用中這一點至關(guān)重要。圖3中還顯示了SEPIC拓?fù)?，此類拓?fù)湟筝^少的FET，但需要更多的無源組件。其好處是簡單的接地參考FET驅(qū)動器和控制電路。此外，可將雙電感組合到單一的耦合電感中，從而節(jié)省空間和成本。但是像降壓-升壓拓?fù)湟粯?，它具有比“降壓或升壓”和脈動輸出電流更高的開關(guān)電流，這就要求電容器可通過更大的RMS電流。
出于安全考慮，可能規(guī)定在離線電壓和輸出電壓之間使用隔離。在此應(yīng)用中，最具性價比的解決方案是反激式轉(zhuǎn)換器（請參見圖4）。它要求所有隔離拓?fù)涞慕M件數(shù)最少。變壓器匝比可設(shè)計為降壓、升壓或降壓-升壓輸出電壓，這樣就提供了極大的設(shè)計靈活性。但其缺點是電源變壓器通常為定制組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中存在很高的組件應(yīng)力。在穩(wěn)定照明應(yīng)用中，可通過使用一個“慢速”反饋控制環(huán)路（可調(diào)節(jié)與輸入電壓同相的LED電流）來實現(xiàn)功率因數(shù)校正 （PFC）功能。通過調(diào)節(jié)所需的平均LED電流以及與輸入電壓同相的輸入電流，即可獲得較高的功率因數(shù)。
調(diào)光技術(shù)
需要對LED進行調(diào)光是一件很平常的事。例如，可能需要調(diào)節(jié)顯示屏或調(diào)節(jié)建筑燈的亮度。實現(xiàn)此操作的方式有兩種：即降低LED電流或快速打開LED再關(guān)閉，然后使眼睛最終得到平衡。因為光輸出并非完全與電流呈線性關(guān)系，因此降低電流的方法效率最低。此外，LED色譜通常會在電流低于額定值時發(fā)生改變。請記?。喝藢α炼鹊母兄芍笖?shù)倍增，因此調(diào)光就需要電流出現(xiàn)更大的百分比變動。因為在全電流下，3%的調(diào)節(jié)誤差由于電路容差緣故可在10%的負(fù)載下放大成 30%甚至更大的誤差，因此這會對電路設(shè)計產(chǎn)生重大的影響。盡管存在響應(yīng)速度問題，但通過脈寬調(diào)制（PWM）來調(diào)節(jié)電流仍更為精確。當(dāng)照明和顯示時，需要 100Hz以上的PWM才能使人眼不會察覺到閃爍。10%的脈沖寬度處于毫秒范圍內(nèi)，并且要求電源具有高于10kHz以上的帶寬。
如表2所示，在許多應(yīng)用中使用LED正變得日益普遍。它將會采用各種電源拓?fù)鋪頌檫@些應(yīng)用提供支持。通常，輸入電壓、輸出電壓和隔離需求將規(guī)定正確的選擇。在輸入電壓與輸出電壓相比總是時高時低時，采用降壓或升壓可能是顯而易見的選擇。但是，當(dāng)輸入和輸出電壓的關(guān)系并非如此受抑制時，該選擇就變的更加困難，需要權(quán)衡許多因素，其中包括效率、成本和可靠性。
TOP6 電容降壓LED驅(qū)動電源電路TOP4
采用電容降壓電路是一種常見的小電流電源電路，由于其具有體積小﹑成本低﹑電流相對恒定等優(yōu)點，也常應(yīng)用于LED的驅(qū)動電路中。
圖一 為一個實際的采用電容降壓的LED驅(qū)動電路：請注意，大部分應(yīng)用電路中沒有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管，建議連接上，因壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管能在電壓突變瞬間（ 如雷電﹑大用電設(shè)備起動等 ）有效地將突變電流泄放，從而保護二級關(guān)和其它晶體管，它們的響應(yīng)時間一般在微毫秒級 。
電路工作原理：
電容C1的作用為降壓和限流：大家都知道，電容的特性是通交流﹑隔直流，當(dāng)電容連接于交流電路中時，其容抗計算公式為：XC = 1/2πf C
式中﹐XC 表示電容的容抗﹑f 表示輸入交流電源的頻率﹑C 表示降壓電容的容量?！×鬟^電容降壓電路的電流計算公式為：I = U/XC
式中 I 表示流過電容的電流﹑U 表示電源電壓﹑XC 表示電容的容抗，在220V﹑50Hz的交流電路中，當(dāng)負(fù)載電壓遠遠小于220V時，電流與電容的關(guān)系式為﹕I = 69C 其中電容的單位為uF，電流的單位為mA在220V﹑50Hz的交流電路中，理論電流與實際測量電流的比較電阻R1為泄放電阻，其作用為：當(dāng)正弦波在最大峰值時刻被切斷時，電容C1上的殘存電荷無法釋放，會長久存在，在維修時如果人體接觸到C1 的金屬部分，有強烈的觸電可能，而電阻R1的存在，能將殘存的電荷泄放掉，從而保證人﹑機安全。泄放電阻的阻值與電容的大小有關(guān)，一般電容的容量越大，殘存的電荷就越多，泄放電阻就阻值就要選小些。經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下表，供設(shè)計時參考：D1 ~ D4的作用是整流；其作用是將交流電整流為脈動直流電壓。C2﹑C3的作用為濾波；其作用是將整流后的脈動直流電壓濾波成平穩(wěn)直流電壓壓敏電阻（ 或瞬變電壓抑制晶體管 ）的作用是將輸入電源中瞬間的脈沖高壓電壓對地泄放掉；從而保護LED不被瞬間高壓擊穿。LED串聯(lián)的數(shù)量視其正向?qū)妷海?Vf ）而定，在220V AC電路中；最多可以達到80個左右。
組件選擇：電容的耐壓一般要求大于輸入電源電壓的峰值，在 220V，50Hz的交流電路中時，可以選擇耐壓為400伏以上的滌綸電容或紙介質(zhì)電容。D1 ~D4 可以選擇IN4007。濾波電容C2﹑C3的耐壓根據(jù)負(fù)載電壓而定，一般為負(fù)載電壓的1.2倍。其電容容量視負(fù)載電流的大小而定。
下列電路圖為其它形式的電容降壓驅(qū)動電路，供設(shè)計時參考：
在圖 二 電路中，可控硅SCR及R3組成保護電路，當(dāng)流過LED的電流大于設(shè)定值時，SCR導(dǎo)通一定的角度，從而對電路電流進行分流，使LED工作于恒流狀態(tài)﹐從而避免LED因瞬間高壓而損壞。
在圖三電路中，C1﹑R1﹑壓敏電阻﹑L1﹑R2組成電源初級濾波電路，能將輸入瞬間高壓濾除，C2﹑R2組成降壓電路，C3﹑C4﹑L2﹑及壓敏電阻組成整流后的濾波電路。此電路采用雙重濾波電路，能有效地保護LED不被瞬間高壓擊穿損壞。
圖四 是一個最簡單的電容降壓應(yīng)用電路，電路中利用兩只反并聯(lián)的LED對降壓后的交流電壓進行整流，可以廣泛應(yīng)用于夜光燈﹑按鈕指示燈，要求不高的位置指示燈等場合。
解讀LT3743的LED驅(qū)動新型調(diào)光經(jīng)典電路
LT3743 實現(xiàn)了超快的大電流 LED 上升時間，并提供了準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)。由于它具備支持多種電流狀態(tài)的能力，因此通過實現(xiàn) LED 彩色的簡易混合而滿足了高性能影院級 DLP 投影機的要求。除了速度以外，通過允許使用一個緊湊型低值電感器，LT3743 的開關(guān)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還縮減了電路板的外形尺寸。其他特點包括開關(guān)周期同步、過壓保護、高效率以及輕松適應(yīng)各種應(yīng)用需求的能力。
LT3743 是一款同步降壓型 DC/DC 控制器，它運用固定頻率、平均電流模式控制，以通過一個與電感器相串聯(lián)的檢測電阻器準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電感器電流。在一個 0V 至“低于輸入電壓軌 2V”的輸出電壓范圍內(nèi)，LT3743 能夠以 ±6% 的準(zhǔn)確度來調(diào)節(jié)任意負(fù)載中的電流。過把準(zhǔn)確的模擬調(diào)光與 PWM 調(diào)光組合起來，實現(xiàn)了精準(zhǔn)、寬范圍的 LED 電流控制。模擬調(diào)光通過 CTRL_L、CTRL_H 和 CTRL_T 引腳來控制；PWM 調(diào)光則通過 PWM 和 CTRL_SEL 引腳來控制。通過采用在外部進行開關(guān)操作的負(fù)載電容器這種獨特的做法，LT3743 實現(xiàn)了高和低模擬狀態(tài)之間的快速變換，從而能夠在幾 μs 的時間內(nèi)改變已調(diào) LED 電流水平。開關(guān)頻率可以在 200kHz 至 1MHz 的范圍內(nèi)進行設(shè)置和同步至一個頻率范圍為300kHz 至1MHz 的外部時鐘。
TOP7 開關(guān)輸出電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器中，負(fù)載兩端的電壓存儲于輸出電容器之中。如果負(fù)載電流突然改變，則輸出電容器中的電壓必須進行充電或放電以與新的已調(diào)電流相匹配。在轉(zhuǎn)換期間，負(fù)載中的電流未得到良好的控制，因而導(dǎo)致了緩慢的負(fù)載電流響應(yīng)時間。LT3743 通過采用一種獨特的開關(guān)輸出電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決了這一問題，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超快的負(fù)載電流上升和下降時間。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)背后的基本概念是：LT3743 起一個已調(diào)電流源的作用，負(fù)責(zé)向負(fù)載提供驅(qū)動電流。對于某個給定的電流，負(fù)載兩端的電壓降存儲于第一個開關(guān)輸出電容器中。當(dāng)需要一種不同的已調(diào)電流狀態(tài)時，將第一個輸出電容器關(guān)斷，并接通第二個電容器。這使得每個電容器能夠存儲與期望已調(diào)電流相對應(yīng)的負(fù)載電壓降。
圖 1 示出了具有各種控制引腳的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PWM 和 CTRL_SEL 引腳為數(shù)字控制引腳，用于確定已調(diào)電流的狀態(tài)。CTRL_H 和 CTRL_L 引腳是具有一個 0V 至 1.5V 全標(biāo)度范圍的模擬輸入，可在電流檢測電阻器兩端產(chǎn)生一個 0mV 至 50mV 的已調(diào)電壓。
圖 1：基本的開關(guān)電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
盡管 LT3743 可以采用開關(guān)輸出電容器來配置，但它能夠很容易地適應(yīng)任何傳統(tǒng)的模擬和/或 PWM 調(diào)光方案
開關(guān)周期同步
LT3743 使所有的開關(guān)脈沖邊沿同步至 PWM 和 CTRL_SEL 上升沿。同步賦予了系統(tǒng)設(shè)計師采用任意周期或非周期 PWM 調(diào)光脈沖寬度和占空比的自由度。對于大電流 LED 驅(qū)動器而言，這是從零電流或低電流狀態(tài)恢復(fù)至高電流狀態(tài)過程中必不可少的特點。通過在 CTRL_SEL 或 PWM 信號變至高電平時重新起動時鐘，電感器電流將立即開始斜坡上升，而無須等待一個時鐘上升沿。未采用同步時，時鐘脈沖沿和 PWM 脈沖沿的相位關(guān)系將不受控制，因而有可能在 LED 光輸出中引起明顯的抖動。當(dāng)采用一個具 SYNC 引腳的外部時鐘時，開關(guān)周期將在 8 個開關(guān)周期之內(nèi)重新同步至外部時鐘。
一款適合高端 DLP 投影機、采用開關(guān)輸出電容器的 24V、20A LED 驅(qū)動器。高端 DLP 投影機要求極高質(zhì)量的圖像和彩色重現(xiàn)。為了實現(xiàn)高的彩色準(zhǔn)確度，各個 LED 當(dāng)中的彩色偏差是通過混入其他兩個彩色 LED 的色彩來校正的。例如：當(dāng)紅光 LED 處于滿電流導(dǎo)通狀態(tài)時，藍光和綠光 LED 將以低電流水平接通，這樣它們就能夠被混入以產(chǎn)生準(zhǔn)確的紅光。這種方法需要具備在較低 （約 2A） 和較高 （約 20A） LED 電流之間進行快速轉(zhuǎn)換的能力，以保持 PWM 調(diào)光脈沖沿。圖 3 示出了一款專供高端 DLP 投影機使用的 24V/20A LED 驅(qū)動器。
圖3：采用開關(guān)輸出電容器的 24V/20A LED 驅(qū)動器
450kHz 的較低開關(guān)頻率允許使用一個非常小的 1.0μH 電感器。在 25% 紋波電流條件下，高電流狀態(tài)與低電流狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時間大約為 2μs。1mF 的大輸出電容器存儲了兩種不同電流狀態(tài)下 LED 兩端的電壓降，并提供了 MOSFET 調(diào)光開關(guān)接通時的瞬時電流。對于實現(xiàn)快速 LED 電流轉(zhuǎn)換來說，采用幾個并聯(lián)的低 ESR 電容器是至關(guān)緊要的。已調(diào)高電流和低電流由連接在 VREF 引腳與 CTRL_L 和CTRL_H 引腳之間的分壓器來設(shè)定。VREF 引腳上的 ±2%、2V 基準(zhǔn)還用于提供溫度降額電路施加在 CTRL_T 引腳上的基準(zhǔn)信號 （見下文中的“LED 電流的熱降額”）。
為了減小有可能很大的啟動電流，LT3473 采用了一種可壓制已調(diào)電流的獨特軟起動電路，從而在軟起動引腳充電至 1.5V 時提供全驅(qū)動。為了最大限度地縮短不同電流水平之間的轉(zhuǎn)換時間，LT3743 運用了針對每種電流水平的單獨補償，這樣電流控制環(huán)路就可以盡可能快地恢復(fù)穩(wěn)態(tài)操作。圖 4 示出了從 0A～2A 至 20A 的 LED 電流階躍。
寬PWM 占空比范圍內(nèi)的高效率
在便攜式 DLP 投影機中，功率耗散是一個極其重要的設(shè)計參數(shù)。與目前市面上銷售的許多并聯(lián)型大電流 LED 驅(qū)動器不同，LT3743 在一個寬 PWM 占空比范圍內(nèi)擁有卓越的效率。通過只把功率輸送至負(fù)載，而不是將功率旁路掉或者給輸出電容器充電，常見的傳統(tǒng) PWM 調(diào)光型驅(qū)動器中損失的大部分能量可以節(jié)省下來。圖 5 示出了當(dāng) VIN = 12V、并以 0A 至 20A 電流驅(qū)動一個綠光 LED 時，整個占空比范圍內(nèi)的效率變化情況。
傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)光
LT3743 適應(yīng)任何傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)光方法。同類競爭 LED 驅(qū)動器所采用的并聯(lián)輸出調(diào)光會造成能量的浪費，而且在 LED 占空比低于約 50% 時效率欠佳。由于 LT3743 具有兩種電流調(diào)節(jié)水平，因此當(dāng)分路被占用時已調(diào)電流可下降至零。即使在低 LED 占空比條件下，這也能提供出色的效率。
圖 6 示出了一款配置有一個電流受限并聯(lián)輸出的 2A LED 驅(qū)動器。請注意：CTRL_L 引腳連接至地，PWMGL 引腳用于驅(qū)動并聯(lián) MOSFET，而CTRL_SEL 引腳則用于調(diào)光。在 CTRL_L 引腳接地的情況下，當(dāng) CTRL_SEL 引腳為低電平時，則分路被占用，而且電感器中的電流被調(diào)節(jié)于 0A。當(dāng) CTRL_SEL 引腳為高電平時，并聯(lián) MOSFET 被關(guān)斷，且已調(diào)電流由 CTRL_H 引腳上的電壓來確定。圖 7 示出了采用一個 12V 輸入時的電流受限并聯(lián) PWM 調(diào)光。
圖 6：具電流受限并聯(lián)輸出的 6V 至 36V 輸入、2A LED 驅(qū)動器
除了并聯(lián)之外，LT3743 還可容易地通過配置以驅(qū)動與 LED 的負(fù)極相串聯(lián)的調(diào)光 MOSFET。當(dāng)不需要多種電流狀態(tài)時，這是優(yōu)選的 PWM 調(diào)光方法。圖8 示出了一款采用轉(zhuǎn)換負(fù)極 PWM 調(diào)光的 6V 至 30V、20A LED 驅(qū)動器。圖 9 示出了 0A 至 20A 電流階躍和 100:1 調(diào)光比條件下的轉(zhuǎn)換負(fù)極 PWM 調(diào)光。
圖8：采用轉(zhuǎn)換負(fù)極 PWM 調(diào)光的 6V 至 30V、20A LED 驅(qū)動器
LT3743 實現(xiàn)了超快的大電流 LED 上升時間，并提供了準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)。由于它具備支持多種電流狀態(tài)的能力，因此通過實現(xiàn) LED 彩色的簡易混合而滿足了高性能影院級 DLP 投影機的要求。除了速度以外，通過允許使用一個緊湊型低值電感器，LT3743 的開關(guān)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還縮減了電路板的外形尺寸。其他特點包括開關(guān)周期同步、過壓保護、高效率以及輕松適應(yīng)各種應(yīng)用需求的能力。
TOP8 照明AC-DC LED驅(qū)動電源電路精析
由于LED總光效要求及散熱限制，能效對低功率應(yīng)用尤其重要;許多情況下，即使是較低功率應(yīng)用也要求功率因數(shù)校正和諧波處理;在空間受限應(yīng)用中，特別是替代燈泡應(yīng)用，要求有很高的驅(qū)動功率密度;總體電源可靠性對整個燈的壽命非常重要;寬輸入電源電壓范圍應(yīng)支持高達277 Vac;兼容TRIAC調(diào)光等要求。此外，LED通用照明還要符合演進的標(biāo)準(zhǔn)及安全規(guī)范，如“能源之星”和IEC要求。
根據(jù)應(yīng)用要求（尺寸、能效、功率因數(shù)、功率、驅(qū)動電流）不同，以交流主電源驅(qū)動LED有多種拓?fù)?。安森美半?dǎo)體提供各種電源方案，可用于各種照明應(yīng)用。
圖1：不同交流主電源供電LED驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
安森美半導(dǎo)體LED通用照明AC-DC解決方案
功率因數(shù)校正方案
采用安森美半導(dǎo)體的NCP1611或NCP1612的160 W功率因數(shù)校正（PFC）升壓方案采用非隔離升壓拓?fù)?，輕載能效高于傳統(tǒng)CrM PFC;無須額外元件，可靠性及安全性高。該方案采用電流控制頻率反走（CCFF）CrM，有升壓或旁路二極管短路保護、引腳開路/短路保護、優(yōu)化的瞬態(tài)響應(yīng)、軟過壓保護、輸入欠壓檢測、低總諧波失真配置、過熱關(guān)閉等特性。這類PFC方案還包括NCP1607、NCP1608、NCP1615和 NCP1654（非隔離升壓）;NCL30000（隔離單級反激、非隔離降壓）;NCL30001（隔離單級反激）;NCL30002（非隔離降壓）;NCL30060（單級反激或降壓）。
初級端控制離線方案
初級端穩(wěn)流（PSR）也稱初級端控制。初級端控制離線LED驅(qū)動器不使用光耦，具有±1%（典型值）的精密LED穩(wěn)流精度、寬VCC范圍、高能效準(zhǔn)諧振控制、強固的保護特性組合，以及寬工作溫度范圍（-40至+125℃）;支持反激及降壓-升壓拓?fù)洌瑤o源PFC輸入的功率因數(shù)約0.9;該系列可應(yīng)用于LED燈泡替代、離線LED驅(qū)動器、嵌燈、室內(nèi)/室外重點照明及任務(wù)燈及LED電子控制裝置。
圖2：初級端控制離線方案
可供選擇的器件有NCL30080A/B、NCL30081A/B、NCL30082A/B和NCL30083A/B（無源PFC控制）;NCL30085A/B、NCL30086A/B、NCL30087A/B和NCL30088A/B（有源PFC控制）。其調(diào)光控制包括非調(diào)光、3 步/5步調(diào)光、模擬/數(shù)字、雙向可控硅/后緣觸發(fā)調(diào)光等。
AC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器
安森美半導(dǎo)體針對隔離反激式和非隔離式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)穩(wěn)壓器包括NCP1010、NCP1011、NCP1012、NCP1014/15、 NCP1027/28、NCP1072/5、NCP1076等。這些器件均為電流模式，峰值電流限制從100 mA至800 mA.這些方案集成了MOS管，適用于隔離和非隔離應(yīng)用，支持次級PWM調(diào)光、模擬調(diào)光或雙亮度等級調(diào)光，能效高達75-80%.
用于高壓LED串的高功率因數(shù)升壓方案
高壓多結(jié)點LED正變得更加常見，因為供應(yīng)商趨向更好地優(yōu)化LED以提升系統(tǒng)總光效，并引入更加專用化的LED.這些LED每封裝的正向電壓可達24至 200 V，可以優(yōu)化用于定點照明、全向照明或線性照明。為了以低元件數(shù)量及標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成電感實現(xiàn)此目標(biāo)，電路中使用了NCP1075單片高壓開關(guān)穩(wěn)壓器及高精度的 NCP4328A恒流/恒壓控制器。
該方案能效高于90%，具有20 ms的快速啟動時間、LED開路保護、可使用現(xiàn)有電感、功率因數(shù)高于0.95，以及采用NCP1075時功率能力大于10 W的特性，應(yīng)用主要是LED燈泡及燈管、低功率光源及燈具、電子控制裝置和LED驅(qū)動器。
圖3：高壓LED串高功率因數(shù)升壓方案
AC-DC開關(guān)控制器
針對隔離和非隔離降壓、降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器有固定頻率的NCP1200、NCP1203、NCP1218、NCP1219、 NCP1230、NCP1234/6、NCP1237/8、NCP1250/1/3;還有準(zhǔn)諧振的NCP1207A、NCP1308、NCP1337 /38、NCP1377、NCP1379/80和NCP1336.針對非隔離降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器則有LV5011MD、LV5012MD、 LV5026MC、LV5029MD、NCL30002和NCL30105.此外還有諧振半橋變換器的開關(guān)控制器NCP1392/3、NCP1398及開關(guān)組合控制器NCL30051和NCL30030.
圖4：采用NCL30030的AC-DC開關(guān)控制器LED驅(qū)動方案
TOP9 非隔離離線降壓控制器
LV5026MC是一款非隔離離線降壓控制器，支持不同調(diào)光控制（TRIAC、模擬及PWM）、可選擇開關(guān)頻率（50 kHz或70 kHz）、低噪聲開關(guān)系統(tǒng);具有短路保護、軟啟動和內(nèi)置TRIAC穩(wěn)定功能。應(yīng)用包括壁燈、任務(wù)燈、臺階燈和LED燈泡替代。
圖6：非隔離離線降壓控制器
可調(diào)光LED驅(qū)動器
LV50xx中的LV5026MC、LV5029MD、LV5011MD和LV5012MD都是可調(diào)光LED驅(qū)動器。以LV5011MD和 LV5012MD為例，兩者開關(guān)頻率均為70 kHz，可提升功率因數(shù)，具有、外部調(diào)節(jié)參考電壓、過壓保護、過熱關(guān)閉功能。兩者的不同之處在于調(diào)光模式，均可用于小型可調(diào)光LED燈泡、離線LED驅(qū)動器和嵌燈。
圖7：可調(diào)光LED驅(qū)動器
非隔離線性LED驅(qū)動器拓?fù)涞暮懔鞣€(wěn)流器（CCR）
一種是低電流LED串驅(qū)動器CCR NSIC2020 （120 V， 20 mA），其交流電壓上升時電流仍保持恒定，達到LED閾值電壓后導(dǎo)通無延遲，低電壓時LED亮度高，可防止LED受電壓浪涌影響。另一種用于低成本T5 LED燈管，采用CCR NSIC2050 （120 V， 50 mA）LED驅(qū)動器，可直接交流驅(qū)動LED，無漏電流，穩(wěn)流可保護LED.
圖8：低成本T5 LED燈管電路
用于街道及區(qū)域照明的LED電源
替代高強度氣體放電燈（HID）或高壓鈉燈（HPS），要使用大LED陣列。根據(jù)終端產(chǎn)品不同，LED可配置為不同結(jié)構(gòu)。一種方法是將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流穩(wěn)壓輸出，并為多個并聯(lián)LED燈條供電。另一種方法是提供穩(wěn)流恒流來直接驅(qū)動LED，省去燈條中內(nèi)置的線性或DC-DC轉(zhuǎn)換段。
圖9a：方法1 -- 將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流穩(wěn)壓輸出
第二種方法旨在配合“能源之星”1.1版光源規(guī)范，其特點包括：通用輸入范圍90 - 265 Vac（更改元件可支持305 Vac）;最大輸出功率60 W（更改元件NCL30051最高支持250 W功率）;功率因數(shù)PF大于0.9（50-100%負(fù)載，帶調(diào)光）;諧波含量遵從IEC61000-3-2 class C標(biāo)準(zhǔn);Iout = 1000 mA/Vf = 35至45 V條件下，能效大于90%;恒流輸出電流范圍0.7 - 1.5 A;輸出電壓范圍35 - 50 V;輸出開路及短路保護、過溫保護、過流保護-自動恢復(fù)、過壓保護-輸入（OVP大電壓）等保護特性。
圖9b：方法2 --提供穩(wěn)流恒流來直接驅(qū)動LED
安森美半導(dǎo)體利用在電源管理、高能效電源及封裝方面的核心專長及優(yōu)勢，為LED照明應(yīng)用，特別是通用照明提供了符合各種規(guī)范要求控制和驅(qū)動器件。這些方案采用獨特的LED驅(qū)動電源架構(gòu)、模擬及調(diào)光技術(shù)、反激轉(zhuǎn)換器及非隔離拓?fù)洌m用于各種通用照明應(yīng)用，為這些設(shè)備的實現(xiàn)提供了豐富的選擇。
TOP10 I2C接口的LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用攻略
目前，通過芯片本身能驅(qū)動的每個LED電流范圍為25mA到100mA之間。當(dāng)然，對于一些大電流的應(yīng)用場合，我們只需用外加場效應(yīng)管的方式來實現(xiàn)。LED無疑是當(dāng)前最熱的一個應(yīng)用，無論是手持設(shè)備、游戲機、霓虹燈、廣告牌等等，眩目的色彩及高質(zhì)的光亮，總能第一時間吸引人的眼球。在當(dāng)前眾多的 LED控制器面前，如何選擇一款功能豐富且性價比又高的產(chǎn)品來迎合自己的設(shè)計，無疑是擺在每個設(shè)計師面前的問題。
最簡單的 LED驅(qū)動，我們可以用普通的I/O來實現(xiàn)。但I/O控制只能實現(xiàn)LED 的ON與OFF，無法用來進行混光、閃爍等功能，而且每個LED都需要占用一個單獨的I/O資源，無疑性價比很低。我們也可以用專用的大電流LED控制器來設(shè)計，但昂貴的成本首先會成為問題，而且設(shè)計復(fù)雜，程度也會跟著各種干擾的出現(xiàn)相應(yīng)地提高?；谶@些，恩智浦（NXP）推出一系列使用I2C接口的 LED驅(qū)動器，它可以通過I2C接口的兩根線，去同時控制從4個到24個不等LED的ON/OFF、閃爍及RGB混光。在混光方案里，每個LED都是由一個獨立的8bit/256階PWM來驅(qū)動。這種基于I2C的LED控制方式，增加了設(shè)計的方便性與靈活性，而且也會減少在軟硬件方面的投入，使披著神秘面紗的LED對我們來講頓時顯得簡單和精彩。下面，我們將會以恩智浦LED驅(qū)動器PCA9633為例，通過幾個簡單的應(yīng)用來全面闡述這種LED驅(qū)動器的優(yōu)勢所在。
從圖1我們可以看到，每一路LED都是由一個單獨的8bit/256階的PWM來控制，且由于PWM足夠快，使其理論上可以通過它所驅(qū)動的四個LED混出任意顏色的光。除了每一路單獨的PWM，PCA9633還提供了一個Group PWM，通過它我們可以用來控制所調(diào)混色光的亮度及頻率，彌補了只調(diào)單個PWM不能實現(xiàn)的一些功能。那么PCA9633究竟如何來實現(xiàn)調(diào)光呢？秘密還是在 PWM上面。如果不使用PWM，那么它只能完成開和關(guān)的動作;低速的PWM只能實現(xiàn)LED閃爍，并不足以達到混色的目的;高速的PWM就可以實現(xiàn)RGB混色;如果PWM速度可控，那么就可以實現(xiàn)閃爍和混色的雙重功能。而且通過可控的8bit/256階PWM，加大了色階提升了色彩的層次感。見下圖2所示。
知道了混色的原理，那么一個具體的色彩又是如何產(chǎn)生的呢？我們知道人眼對色彩的感知是各種色彩亮度均值的疊加，我們可以通過控制 PCA9633每個PWM的占空比，去控制所驅(qū)動LED的亮度。根據(jù)三基色原理，如果我們驅(qū)動的是RGB（或者RGBA）LED，那么通過調(diào)節(jié)這三個 LED的不同光亮，就可以得到所要的色彩。圖3是PCA9633控制RGB三個LED來調(diào)粉色光的例子。
通過以上的描述，我們基本知道了PCA9633的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理。下面我們將會以PCA9633固定I2C地址的幾個應(yīng)用，來進一步理解這種LED控制器的優(yōu)勢所在。
第一個應(yīng)用，我們將用PCA9633來控制亮度條。我們知道一般像亮度條這樣的應(yīng)用，往往需要用到大量LED串聯(lián)來進行。如果用單個接口去控制每個 LED，會使成本和軟件復(fù)雜度大大增加。而通過I2C，在硬件上只需要兩條控制線，在軟件上只需發(fā)一條字節(jié)命令，就可以輕松進行操控。除此之外，由于 I2C器件地址的唯一性，可以按所驅(qū)動LED的數(shù)量使用幾個PCA9633來進行控制。如果實際應(yīng)用中PCA9633本身的驅(qū)動電流不夠，只需在外圍加一個FET就可以輕松解決。另外，PCA9633獨有的Group PWM使得控制整個亮度條的光強和閃爍變的得心應(yīng)手。下面是其原理圖（見圖4），其中I2C master由系統(tǒng)提供，可以是MCU，也可以是邏輯電路。
圖4中左半部為I2C的master，不作細述。右邊最上為LED限流電阻，通常LED的前向電壓為3V左右，根據(jù)不同的顏色和制造工藝會有一些差別。我們可以通過所需LED電流去計算這個限流電阻的值：R=（Vsupply-Vfsum）/If.如果所需的LED電流大于25mA，那么圖中所加的 FET可以輕松解決這一問題。當(dāng)我們外加了FET以后，只需把PCA9633的相應(yīng)寄存器的OUTDRV設(shè)為高就可以了，以區(qū)別于它的默認(rèn)值?，F(xiàn)在我們可以看到用PCA9633去控制如此多的LED，原理圖相當(dāng)簡潔，同樣在軟件設(shè)置寄存器上也同樣方便。PCA9633提供了簡易且完整的內(nèi)部寄存器，例如 LED輸出結(jié)構(gòu)設(shè)置、節(jié)電模式設(shè)置、芯片使能模式設(shè)置、LED的輸出狀態(tài)設(shè)置，以及每個PWM和Group PWM的控制寄存器設(shè)置等。除此之外，PCA9633還提供了一個寄存器設(shè)置遞增位，也就是說如果我們設(shè)置了這一位，那么我們可以通過一個指令序列來完成內(nèi)部所有寄存器的順序配置，這在一些特定的應(yīng)用中是非常有用的，能最大程度節(jié)省軟件和系統(tǒng)資源。下面，我們將通過另外一個例子來說明內(nèi)部寄存器的設(shè)置。
第二個例子是我們用PCA9633來完成呼吸燈的功能。雖然PCA9633內(nèi)部不帶呼吸燈模塊，但我們可以通過一些簡單的寄存器設(shè)置來實現(xiàn)這個功能，這樣相比于專用的呼吸燈芯片在成本上無疑有很大的優(yōu)勢。為了便于說明，我們只用PCA9633來控制一個LED的呼吸動作，原理圖很簡單，在此略去，通過控制這一個LED的漸亮與漸暗過程以達到呼吸的目的。要實現(xiàn)這個功能，PCA9633的獨立PWM將是最主要的因素。如前我們已經(jīng)提到每個 LED都是由一個8bit/256階PWM來控制，那么也就是說，每個燈有256段亮暗色階可調(diào)，可以完美實現(xiàn)呼吸功能。具體，我們通過控制PWM的占空比來完成。如果我們的LED是由PCA9633的PWM0來控制，那么PWM0的占空比將決定這個LED的亮度：Bright（duty cycle）=PWM0［7:0］/256.到此，一個完整的呼吸過程就完成了，用幾個簡單的寄存器設(shè)置，就完成了看起來似乎只有用復(fù)雜系統(tǒng)或?qū)Ｓ眯酒拍茏龅氖虑?。從以上兩個例子，我們可以看到用恩智浦的I2C LED驅(qū)動器，不論是硬件上還是軟件上都是非常簡單和易操作的，而且用此類器件所能實現(xiàn)的功能，絲毫不比一些系統(tǒng)和專有芯片遜色。
總之，I2C LED驅(qū)動器提供了高性價比的LED設(shè)計方案，相比于用GPIO或?qū)Ｓ肔ED驅(qū)動器，不僅節(jié)省了系統(tǒng)資源，也使設(shè)計的成本和復(fù)雜度大大減少，并可以有效提高設(shè)計的可靠性和驅(qū)動光的均勻性。此外，采用此類LED驅(qū)動器，可以很有效地幫助我們減少設(shè)計周期并提升設(shè)計靈活性。
TOP11 LED驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計方案詳解
主電路部分，在市電之后緊接著接了一個濾波器，它的作用是濾除電源中的高次諧波以及電源中的浪涌，使得控制電路受電源的干擾小。輸入整流部分采用一體式的整流橋，通過二極管的單向?qū)ǖ奶匦詫㈦娖皆诹泓c上下浮動的交流電轉(zhuǎn)換為單向的脈動的直流電，再在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。經(jīng)過 MIP553和BUCK電路的調(diào)節(jié)和控制后輸出供LED使用的電壓。
輸入電路的設(shè)計
為了延長LED驅(qū)動電源的使用壽命，使之與LED相匹配，必須要去除電路中的電解電容。電路的設(shè)計指標(biāo)為：輸入交流電壓Vm：198— 264VAC/50Hz;輸出電壓Vo：27VDC;輸出電流Io：0.35A。輸入電路包括噪聲濾波裝置、安全保險裝置以及輸入整流裝置，如圖2所示。
噪聲濾波裝置主要由電容C1/C2/C3和電感L1組成，其作用是在小于1MHz的頻段內(nèi)，能夠減少電磁干擾（EMI）。此裝置也可以鏈接在AC交流之后，整流裝置之前，其濾波效果是一樣的。安全保險裝置由保險絲和ZNR1組成，保險絲主要防止有危害電路的尖峰電流產(chǎn)生的時候迅速切斷電路以保護負(fù)載;ZNR1是浪涌吸收器，對于來自輸入端的靜電和浪涌進行吸收，以此來保護后面的電路。輸入整流裝置，是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，輸入整流橋的選擇。
輸出電路的設(shè)計
輸出電路由基本的BUCK電路和一個穩(wěn)壓二極管DD1組成。如圖3所示。BUCK變換器及其優(yōu)勢：
Buck變換器又稱為降壓變換器、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓器、三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器，是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離DC/DC變換器。
工作中的輸入電流is，在開關(guān)閉合時，is》0;在開關(guān)打開時，is=0，故is是脈動的，但輸出電流io在電感、二極管、電容的作用下卻是連續(xù)的、平穩(wěn)的。特別適合為LED提供工作電流。FRD1的選擇標(biāo)準(zhǔn)：額定電流大于2倍的輸出電流，額定電壓大于輸入電壓，其反向恢復(fù)時間也要在100ns以內(nèi)，考慮裕量，F(xiàn)RD1的參數(shù)為：15A，600V，trr=50ns。用類似的方法選擇T1和Cout，那么其參數(shù)分別為：T1：680μH; Cout：1μF，50V。
穩(wěn)壓二極管DD1
在低輸入電壓的某范圍內(nèi)，若沒有像DD1的這種反向裝置，那么在開關(guān)關(guān)斷的瞬間將會有反向電流流過IPD，而IPD是不允許有這種電流的，因為這種反向電流將會導(dǎo)致IPD的損壞。
保護電路
MIP553內(nèi)置過壓、過流、過熱、LED短路的保護電路，但并無LED開路時保護電路的設(shè)計。LED開路時的保護電路的思想主要有穩(wěn)壓二極管保護、三極管保護、偏壓線圈保護等，考慮到成本和結(jié)構(gòu)，文中選擇具有穩(wěn)壓二極管的保護電路。其電路圖如圖3所示。當(dāng)LED開路時，輸出電壓上升，若輸出電路有穩(wěn)壓二極管的保護電路，那么穩(wěn)壓二極管將LED的電壓嵌位在二極管的壓降之下，這樣就能防止輸出電容的毀壞。
控制電路的設(shè)計
控制電路由MIP553及其外圍電路組成，如圖4所示。MIP553芯片實現(xiàn)寬電壓85～277V/AC輸入，內(nèi)置MOS，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，可不需要電解電容，支持隔離或非隔離方案，單電源輸出功率6～30W，恒定電流輸出《1A。電源具有過壓、過流、過熱保護功能，安全穩(wěn)定性高，體積小，發(fā)熱量低，電源效率≥80%，功率因數(shù) ≥95%，THD《20%。
MIP553的漏極電流由引腳CL和EX控制，因此連接這兩個引腳的電阻RCL、REX的設(shè)置將直接影響漏極電流的大小。最大漏極電流可由REX來確定，考慮到這個最大漏極電流要流經(jīng)LED，因此設(shè)置參考值時應(yīng)該注意。
REX=（VDD（ON）-VEXH）/IEX=（6.5-2.8）/103=36kΩ （3）
其中，假設(shè)輸入電壓100V，輸出電壓28V，電流：400mA，最大漏極電流設(shè)為1.0A。
CVDD、CEX、CCL的作用是穩(wěn)定MIP553的運行、抑制外部噪聲。因此，其值要選擇得當(dāng)。CVDD，穩(wěn)定VDD的電壓、抑制LED 的閃爍，特性不受溫度影響、不產(chǎn)生額外的噪聲，參考標(biāo)準(zhǔn)值為1～10μF之間;CEX，抑制外部噪聲進入EX引腳，其參考標(biāo)準(zhǔn)值在470～1000pF之間;CCL，抑制外部噪聲進入CL引腳，如果其值太大的話，那么pF值將會受到嚴(yán)重的影響，因此其值應(yīng)小于1000pF。
LED電源的挑戰(zhàn)
LED作為新型的電光源，在制作大型發(fā)光立體字和發(fā)光標(biāo)識中有著明顯的優(yōu)勢，其控制電壓低，成本低，可靠性高。雖然LED產(chǎn)品在國內(nèi)外市場有著愈演愈烈的發(fā)展趨勢，但是LED照明畢竟是新興的產(chǎn)業(yè)，目前還沒有廣泛的普及，因此LED驅(qū)動電源不可避免的在各方面存在著挑戰(zhàn)：首先，由于LED的正向電壓會隨著電流和溫度而變化，其“色點”也會隨著電流和溫度而漂移，為了保證LED的正常工作，就要求其驅(qū)動器無論在輸入條件和正向電壓如何變化的情況下都要限制電流。其次，如果需要LED調(diào)光，通常采用的是脈寬調(diào)制調(diào)光技術(shù)，典型的PWM頻率是1～3kHz。最后，LED驅(qū)動電路的功率處理能力必須充足，且功能強固，可以承受多種故障條件，易于實現(xiàn)。
LED是一種節(jié)能、高效、環(huán)保的綠色照明，對它的驅(qū)動電路研究非常重要。文中介紹了利用MIP553進行設(shè)計的LED驅(qū)動電源，并通過仿真證明了其輸出電流的穩(wěn)定性，有很好的應(yīng)用前景。
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