基于大功率LED恒流驱动器的设计及其实例

时间：2013-01-25 19:43:37

关键字：驱动器大功率LED 恒流驱动 RF

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[导读]　大功率LED原理是是一个电光转换的过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。广泛的应用于室内外装饰、特种照

　大功率LED原理是是一个电光转换的过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。广泛的应用于室内外装饰、特种照明方面，而大功率LED恒流驱动方案有利于对新的应用打下基础。

　　恒流驱动和提高LED的光学效率是LED应用设计的两个关键问题，本文介绍大功率LED的应用及其恒流驱动方案的选择指南，然后以美国国家半导体（NS）的产品为例，重点讨论如何巧妙应用LED恒流驱动电路的采样电阻提高大功率LED的效率，并给出大功率LED驱动器设计与散热设计的注意事项。

　　驱动芯片的选择

　　LED驱动只占LED照明系统成本的很小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性。目前，美国国家半导体公司的LED驱动方案主要定位在中高端LED照明和灯饰等市场。灯饰分为室内和室外两种，由于室内LED灯所应用的电源环境有AC/DC和DC/DC转换器两种方式，所以驱动芯片的选择也要从这两方面考虑。

图1：可变电流和可变电压基本电路

　　1、AC/DC转换器

　　AC/DC分为220V交流输入和12V交流输入。12V交流电是酒店中广泛应用的卤素灯的电源，现有的LED可以在保留现有交流12V的条件下进行设计。针对替代卤素灯的设计，美国国家半导体LM2734的主要优势是体积小、可靠性高、输出电流高达1A,恰好适合卤素灯灯口直径小的特点。

　　取代卤素灯之后，LED灯一般做成1W或3W.LED灯与卤素灯相比有两大优势：（1）光源比较集中，1W照明所获得的亮度等同于十几瓦卤素灯的亮度，因此比较省电；（2） LED灯的寿命比卤素灯长。

　　LED灯的主要弱点是灯光的射角太窄，成本相对较高。但从长远来看，由于LED灯的寿命较长，所以还是具有非常大的成本优势。220V AC/DC转换器（例如LM5021）主要锁定舞台灯和路灯市场。

　　2、 DC/DC转换器

　　目前，LED手电筒占据了DC/DC转换器的绝大部分需求量。手电筒采用的LED功率基本上是1W,供电方式包括锂电池和镍锌电池、碱性电池等。3W 手电筒的应用一直还存在一些难点，因为3W LED灯本身需要散热，散热装置的体积大，从而在一定程度上削弱了LED灯体积小的优势。此外，由于3W LED灯的电流高达700mA,一次充电后的电池使用时间缩短。尽管如此，对于上述应用国家半导体提供LM3475、LM2623A和LM3485等方案。

矿灯也是LED灯的主要应用领域之一，它属于特种照明行业，需要专业的认证标准，中国对LED在矿灯领域的应用一直都很重视。目前，LED设计行业存在对特种行业的需求认识不足的问题，设计中常采用一些不切实际的、新奇的设计方案。例如，将LED灯和电池一起嵌入头盔，却没有考虑到矿灯特殊使用环境的各种需求，这可能是造成LED在矿灯市场的应用一直没有打开局面的重要原因。

　　对于矿灯LED应用，美国国家半导体提供了丰富的DC/DC稳压器产品，包括LM3485、LM3478和LM5010.已经用户采用一颗1W的LED灯，周围再放6颗普通的高亮度LED灯，构成一种具有特殊闪烁功能的矿灯。

　　总而言之，LED灯在灯饰和特种照明行业有着广泛的发展前景，国家半导体为此提供完整的新型LED驱动解决方案。

图3：基于LM2734的恒流驱动电路

　　高效的恒流驱动电路

　　恒压供电的基本电路（图1左）采用反馈电阻RFB1和RFB2,当负载电流发生变化时，VFB也随之变化，DC/DC稳压器通过感知VFB的变化，使输出电压维持在一个固定的电平：V0=（VFB*（RFB1+RFB2））/RFB1 （1）

　　在图1右边电路中，DC/DC稳压器的FB是高阻输入端，流经LED的电流IF为：IF=VFB/RFB （2）

　　为保持IF恒定，DC/DC稳压器感知VFB,然后调整LED正端电压，使流经LED的电流保持恒定。这就是利用DC/DC稳压器FB反馈端实现恒压到恒流转换的原理。

　　一般来说，DC/DC稳压器对VFB的变化有一个感知的范围，一旦LED选定，其工作电流IF的大小也就确定了，所选的电阻要保证VFB落在DC/DC稳压器容许的范围内。

　　以VFB等于1.25V为例，假设IF分别为15mA、350mA和700mA,采样电阻的功耗将分别小于20mW、400mW和800mW.对于1W的LED来说，采样电阻的功耗分别占到总电源消耗的2%、40%和80%.因此，采样电阻的设计对提高LED的功效至关重要，它应该选取尽可能小的数值。

　　由于直接将RFB连接FB端会造成RFB的功耗过大，所以在FB端和RFB之间放置一个运算放大器，以放大RFB采集到的电压VTAP（图2）。

　　IF=VTAP/RFB=（VFB/RFB）*（1+RF/RI）（3）

　　通常，1W大功率LED的典型工作电流为350mA,如果选择RFB等于1欧姆，则RFB的功耗为：

　　PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W （4）

　　考虑运算放大器本身的功耗，RFB及其附属电路的功耗大约为1W LED功率的12%.这样就能在确保LED获得恒流供电的同时，将RFB的功耗降低到可以接受的水平，从而使LED两端的电压尽可能大，流经的电流也尽可能大。国家半导体按照这个原理工作的稳压器有LM2736和LM2734.

图4 从采样电阻直接获取反馈电压的设计

　　此外，LED照明系统的光学效率不仅仅取决于LED恒流驱动方案，还与整个系统的散热设计密切相关。为缩小体积，某些LED恒流驱动系统将LED驱动电路与散热部分贴近设计，这样容易影响可靠性。

　　一般来说，LED照明系统的热源基本就是LED灯本身的热源，热源太集中会产生热损耗，因此LED驱动电路不能与散热系统紧贴在一起。建议采取下列散热措施：LED灯采用铝基板散热；功率器件均匀排布；尽可能避免将LED驱动电路与散热部分贴近设计；抑制封装至印刷电路基板的热阻抗；提高LED芯片的散热顺畅性以降低热阻抗。

表1：大功率LED在寿命上具有很大优势

　　新应用对驱动器的要求

　　大功率LED被称为"绿色光源",它将向大LED电流（300mA 至1.4A）、高效率（60至120 流明/瓦）、亮度可调的方向发展。

　　由于大功率LED在寿命上具有很大优势（表1），所以发展前景非常广阔，其中最被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境。但这些应用对LED驱动系统设计也提出了新的要求，包括：输入电压范围一般要求为6V到24V;具有冲击负载保护、反相和过压保护；待机功耗非常低；低带隙基准以减少电流检测损耗以及具有PWM调整亮度的功能等。

　　针对这些需求，美国国家半导体公司提供了全系列LED驱动器设计方案（见表2），可以为用户提供全面的LED驱动器解决方案。

　　LED照明系统需要借助于恒流供电，目前主流的恒流驱动设计方案是利用线性或开关型DC/DC稳压器结合特定的反馈电路为LED提供恒流供电，根据DC/DC稳压器外围电路设计的差异，又可以分为电感型LED驱动器和开关电

　　容型LED驱动器。电感型升压驱动器方案其优点是驱动电流较高，LED的端电压较低、功耗较低、效率保持不变，特别适用于驱动多只LED的应用。在大功率LED驱动器设计中，主要采用开关电容型LED驱动方案，其优点是LED两端的电压较高、流过的电流较大，从而获得较高的功效及光学效率。先进的开关电容技术还能够提高效率，因而在大功率LED驱动中应用广泛。

表2：美国国家半导体的LED驱动器解决方案一览表

　　目前LED照明受到社会广泛关注，大功率led光效提高空间还很大，而大功率LED恒流驱动方案可以对新应用的开发起到重要作用，相信在不远的将来，LED照明会应用在各个行业。