LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理及案例

　　恒流驅(qū)動(dòng)和提高LED的光學(xué)效率是LED 應(yīng)用設(shè)計(jì)的兩個(gè)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(dòng)方案的選擇指南,然后以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)的產(chǎn)品為例,重點(diǎn)討論如何巧妙應(yīng)用LED恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)器設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

　　驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

　　LED驅(qū)動(dòng)只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分,但它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的可靠性。目前,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LED驅(qū)動(dòng)方案主要定位在中高端LED照明和燈飾等市場(chǎng)。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(dòng)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(shí)現(xiàn)從恒壓驅(qū)動(dòng)(左圖)到恒流驅(qū)動(dòng)(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(jì)。針對(duì)替代鹵素?zé)舻脑O(shè)計(jì),美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LM2734的主要優(yōu)勢(shì)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(diǎn)。

　　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(shì)：(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?因此比較省電;(2) LED燈的壽命比鹵素?zé)糸L(zhǎng)。

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

圖2：在FB反饋端和RFB之間放置一個(gè)運(yùn)算放大器以降低功耗。

　　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(diǎn),因?yàn)?W 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(shì)。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(shí)間縮短。盡管如此,對(duì)于上述應(yīng)用國(guó)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(guó)對(duì)LED在礦燈領(lǐng)域的應(yīng)用一直都很重視。目前,LED設(shè)計(jì)行業(yè)存在對(duì)特種行業(yè)的需求認(rèn)識(shí)不足的問題,設(shè)計(jì)中常采用一些不切實(shí)際的、新奇的設(shè)計(jì)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(chǎng)的應(yīng)用一直沒有打開局面的重要原因。

　　對(duì)于礦燈LED應(yīng)用,美國(guó)國(guó)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(guó)家半導(dǎo)體為此提供完整的新型LED驅(qū)動(dòng)解決方案。

圖3：基于LM2734的恒流驅(qū)動(dòng)電路。

　　高效的恒流驅(qū)動(dòng)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(shí),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(gè)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(shí)現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)換的原理。

　　一般來說,DC/DC穩(wěn)壓器對(duì)VFB的變化有一個(gè)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(duì)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(jì)對(duì)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(jì)。

　　由于直接將RFB連接FB端會(huì)造成RFB的功耗過大,所以在FB端和RFB之間放置一個(gè)運(yùn)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(yùn)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(shí),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(guó)家半導(dǎo)體按照這個(gè)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(dòng)電路(圖3)利用LM321運(yùn)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(gè)完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)際使用中,有些LED恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的設(shè)計(jì),而且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率有重要影響,因此仔細(xì)設(shè)計(jì)Rset對(duì)節(jié)省能源至關(guān)重要。圖3和圖4的詳細(xì)設(shè)計(jì)文件請(qǐng)向國(guó)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(dòng)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(dòng)電流的典型波動(dòng)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(gè)大功率LED的恒流驅(qū)動(dòng),而基于LM5021的恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案則針對(duì)220V AC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

　　恒流驅(qū)動(dòng)與散熱的考慮

　　就電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言,工程師在設(shè)計(jì)LED恒流驅(qū)動(dòng)電路時(shí)首先要了解LED的恒流參數(shù)。目前LED芯片的制造商很多,國(guó)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(jì)工程師要清楚地認(rèn)識(shí)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?yàn)長(zhǎng)ED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(jì)工程師為提高發(fā)光效率而采取加大驅(qū)動(dòng)電流的辦法,例如,對(duì)于同一顆1W LED,加大驅(qū)動(dòng)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(diǎn),就會(huì)影響LED的壽命和可靠性,這是設(shè)計(jì)恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)方案,還與整個(gè)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)密切相關(guān)。為縮小體積,某些LED恒流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將LED驅(qū)動(dòng)電路與散熱部分貼近設(shè)計(jì),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(huì)產(chǎn)生熱損耗,因此LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路與散熱部分貼近設(shè)計(jì);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(shì)。

　　新應(yīng)用對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shì)(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(duì)LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)損耗以及具有PWM調(diào)整亮度的功能等。

　　針對(duì)這些需求,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司提供了全系列LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案(見表2),可以為用戶提供全面的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)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L(zhǎng)ED提供恒流供電,根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設(shè)計(jì)的差異,又可以分為電感型LED驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)電容型LED驅(qū)動(dòng)器。電感型升壓驅(qū)動(dòng)器方案其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)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(dòng)多只LED的應(yīng)用。在大功率LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中,主要采用開關(guān)電容型LED驅(qū)動(dòng)方案,其優(yōu)點(diǎn)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(dòng)中應(yīng)用廣泛。

表2：美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LED驅(qū)動(dòng)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(jì)和制造技術(shù)及材料等諸多因素的限制,它暫時(shí)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。

　　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(shí)現(xiàn)恒壓轉(zhuǎn)恒流設(shè)計(jì)的基本原理和實(shí)際案例,并說明了大功率LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與散熱部分設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的事項(xiàng),最后指出了大功率LED新應(yīng)用對(duì)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)提出的新要求,給出了國(guó)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(jì)工程師全面掌握最新的LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。