LED驅(qū)動原理介紹

1、LED驅(qū)動原理介紹由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，光通量(V)與IF的關系曲線，因此，采用恒流源驅(qū)動可以更好地控制亮度。超高亮LED的特性下圖為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線，由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值(約2V)，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比。見表是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知，當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為24V。1.jpg (16.78 KB)2009-9-21 16:36由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，光通量(V)與IF的關系曲線，因此，采用恒流源驅(qū)動可以

2、更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動。下圖是 LED的溫度與光通量(V)關系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，85時的光通量是25時的一半，而一40時光輸出是25時的1.8倍。溫度的變化對LFD的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。2.jpg (14.01 KB)2009-9-21 16:36下圖是LED的溫度與光通

3、量關系曲線。3.jpg (20.8 KB)2009-9-21 16:36一般LED驅(qū)動電路介紹由于受到LED功率水平的限制，通常需同時驅(qū)動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅(qū)動電路來點亮LED。下面簡要介紹LED概念型驅(qū)動電路。阻限流電路如下圖所示，電阻限流驅(qū)動電路是最簡單的驅(qū)動電路，限流電阻按下式計算。4.jpg (3.42 KB)2009-9-21 16:365.jpg (9.36 KB)2009-9-21 16:36式中：Vin為電路的輸入電壓： VF為IED的正向電流; VF為LED在正向電流為，IF時的壓降; VD為防反二極管的壓降(可選); y為每串LED的數(shù)目; x為并聯(lián)

4、LED的串數(shù)。由上圖可得LED的線性化數(shù)學模型為6.jpg (2.48 KB)2009-9-21 16:36式中：Vo為單個LED的開通壓降; Rs為單個LED的線性化等效串聯(lián)電阻。則上式限流電阻的計算可寫為 7.jpg (3.22 KB)2009-9-21 16:36當電阻選定后，電阻限流電路的IF與VF的關系為 8.jpg (4.64 KB)2009-9-21 16:36由上式可知電阻限流電路簡單，但是，在輸入電壓波動時，通過LED的電流也會跟隨變化，因此調(diào)節(jié)性能差。另外，由于電阻R的接人損失的功率為xRIF，因此效率低。線性調(diào)節(jié)器介紹線性調(diào)節(jié)器的核心是利用工作于線性區(qū)的功率三極管或MOS

5、FFET作為一動態(tài)可調(diào)電阻來控制負載。線性調(diào)節(jié)器有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。下圖a所示為并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器又稱為分流調(diào)節(jié)器(圖中僅畫出了一個LED，實際上負載可以是多個LED串聯(lián)，下同)，它與LED并聯(lián)，當輸入電壓增大或者LED減少時，通過分流調(diào)節(jié)器的電流將會增大，這將會增大限流電阻上的壓降，以使通過LED的電流保持恒定。由于分流調(diào)節(jié)器需要串聯(lián)一個電阻，所以效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒定的調(diào)節(jié)。下圖b所示為串聯(lián)型調(diào)節(jié)器，當輸入電壓增大時，調(diào)節(jié)動態(tài)電阻增大，以保持LED上的電壓(電流)恒定。9.jpg (18.07 KB)2009-9-21 16:38由于功率三極管或MOSF

6、ET管都有一個飽和導通電壓，因此，輸入的最小電壓必須大于該飽和電壓與負載電壓之和，電路才能正確地工作。開關調(diào)節(jié)器介紹上述驅(qū)動技術不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驅(qū)動時，由于電流只有幾個mA，因此損耗不明顯，當用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅(qū)動時，功率電路的損耗就成了比較嚴重的問題。開關電源是目前能量變換中效率最高的，可以達到90%以上。Buek、Boost和 Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅(qū)動，只是為了滿足LED的恒流驅(qū)動，采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進行反饋控制。下圖(a)為采用Buck變換器的LED驅(qū)動電路，與傳統(tǒng)的Buek

7、變換器不同，開關管S移到電感L的后面，使得S源極接地，從而方便了S的驅(qū)動，LED 與L串聯(lián)，而續(xù)流二極管D與該串聯(lián)電路反并聯(lián)，該驅(qū)動電路不但簡單而且不需要輸出濾波電容，降低了成本。但是，Buck變換器是降壓變換器，不適用于輸入電壓低或者多個LED串聯(lián)的場合。10.jpg (16.09 KB)2009-9-21 16:39上圖(b)為采用Boost變換器的LED驅(qū)動電路，通過電感儲能將輸出電壓泵至比輸入電壓更高的期望值，實現(xiàn)在低輸入電壓下對LED的驅(qū)動。優(yōu)點是這樣的驅(qū)動IC輸出可以并聯(lián)使用，有效的提高單顆LED功率。上圖(c)為采用BuckBoost變換器的LED驅(qū)動電路。與Buek電路相似，該

8、電路S的源極可以直接接地，從而方便了S的驅(qū)動。Boost和 Buck-Boosl變換器雖然比Buck變換器多一個電容，但是，它們都可以提升輸出電壓的絕對值，因此，在輸入電壓低，并且需要驅(qū)動多個LED時應用較多。PWM調(diào)光知識介紹在手機及其他消費類電子產(chǎn)品中，白光LED越來越多地被使用作為顯示屏的背光源。近來，許多產(chǎn)品設計者希望白光LED的光亮度在不同的應用場合能夠作相應的變化。這就意味著，白光LED的驅(qū)動器應能夠支持LED光亮度的調(diào)節(jié)功能。目前調(diào)光技術主要有三種：PWM調(diào)光、模擬調(diào)光、以及數(shù)字調(diào)光。市場上很多驅(qū)動器都能夠支持其中的一種或多種調(diào)光技術。本文將介紹這三種調(diào)光技術的各自特點，產(chǎn)品設計

9、者可以根據(jù)具體的要求選擇相應的技術。PWM Dimming (脈寬調(diào)制) 調(diào)光方式這是一種利用簡單的數(shù)字脈沖，反復開關白光LED驅(qū)動器的調(diào)光技術。應用者的系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖，即可簡單地實現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。PWM 調(diào)光的優(yōu)點在于能夠提供高質(zhì)量的白光，以及應用簡單，效率高!例如在手機的系統(tǒng)中，利用一個專用PWM接口可以簡單的產(chǎn)生任意占空比的脈沖信號，該信號通過一個電阻，連接到驅(qū)動器的EN接口。多數(shù)廠商的驅(qū)動器都支持PWM調(diào)光。但是，PWM 調(diào)光有其劣勢。主要反映在：PWM調(diào)光很容易使得白光LED的驅(qū)動電路產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲(audible noise，或

10、者microphonic noise)。這個噪聲是如何產(chǎn)生?通常白光LED驅(qū)動器都屬于開關電源器件(buck、boost 、charge pump等)，其開關頻率都在1MHz左右，因此在驅(qū)動器的典型應用中是不會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。但是當驅(qū)動器進行PWM調(diào)光的時候，如果PWM信號的頻率正好落在200Hz到20kHz之間，白光LED驅(qū)動器周圍的電感和輸出電容就會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。所以設計時要避免使用20kHz以下低頻段。我們都知道，一個低頻的開關信號作用于普通的繞線電感(wire winding coil)，會使得電感中的線圈之間互相產(chǎn)生機械振動，該機械振動的頻率正好落在上述頻率，電感發(fā)出的

11、噪音就能夠被人耳聽見。電感產(chǎn)生了一部分噪聲，另一部分來自輸出電容?，F(xiàn)在越來越多的手機設計者采用陶瓷電容作為驅(qū)動器的輸出電容。陶瓷電容具有壓電特性，這就意味著：當一個低頻電壓紋波信號作用于輸出電容，電容就會發(fā)出吱吱的蜂鳴聲。當PWM信號為低時，白光LED驅(qū)動器停止工作，輸出電容通過白光LED和下端的電阻進行放電。因此在PWM調(diào)光時，輸出電容不可避免的產(chǎn)生很大的紋波（電容過濾高頻不干凈有殘留的高頻成分）?？傊?，為了避免PWM調(diào)光時可聽得見的噪聲，白光LED驅(qū)動器應該能夠提供超出人耳可聽見范圍的調(diào)光頻率!相對于PWM調(diào)光，如果能夠改變RS的電阻值，同樣能夠改變流過白光LED的電流，從而變化LED的光亮度。我們稱這種技術為模擬調(diào)光。模擬調(diào)光（持續(xù)接通，連續(xù)）最大的優(yōu)勢是它避免了由于調(diào)光時所產(chǎn)生的噪聲。在采用模擬調(diào)光的技術時，LED的正向?qū)▔航禃S著LED電流的減小而降低，使得白光LED的能耗也有所降低。但是區(qū)別于PWM調(diào)光技術（反復快速閃爍通斷，連續(xù)和離散之間），在模擬調(diào)光時白光LED驅(qū)動器始終處于工作模式，并且驅(qū)動器的電能轉(zhuǎn)換效率隨著輸出電流減小而急速下降。所以，采用模擬調(diào)光技術往往會增大整個系統(tǒng)的能耗。模擬調(diào)