LED驅動原理設計及案例

1、LED驅動原理設計及案例本文首先介紹了特種照明的應用環(huán)境，然后，詳細闡述了利用DC/DC穩(wěn)壓器實現(xiàn)恒壓轉恒流設計的基本原理和實際案例，并說明了大功率LED驅動器設計與散熱部分設計應該注意的事項，最后指出了大功率LED新應用對驅動器設計提出的新要求，給出了國家半導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)的電子設計工程師全面掌握最新的LED驅動器系統(tǒng)設計技術。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，但它們在室內外裝飾、特種照明方面有著越來越廣泛的應用，因此掌握大功率LED恒流驅動器的設計技術，對于開拓大功率LED的新應用至關重要。LED按照功率和發(fā)光亮度可以劃分為大功率LE

2、D、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。恒流驅動和提高LED的光學效率是LED應用設計的兩個關鍵問題，本文首先介紹大功率LED的應用及其恒流驅動方案的選擇指南，然后以美國國家半導體（NS）的產品為例，重點討論如何巧妙應用LED恒流驅動電路的采樣電阻提高大功率LED的效率，并給出大功率LED驅動器設計與散熱設計的注意事項。驅動芯片的選擇LED驅動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分，但它關系到整個系統(tǒng)性能的可靠性。目前，美國國家半導體公司的LED驅動方案主要定位在中高端LED照明和燈飾等市場。燈飾分為室內和室外兩種，由

3、于室內LED燈所應用的電源環(huán)境有AC/DC和DC/DC轉換器兩種方式，所以驅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)從恒壓驅動（左圖）到恒流驅動（右圖）的轉換。1. AC/DC轉換器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用的鹵素燈的電源，現(xiàn)有的LED可以在保留現(xiàn)有交流12V的條件下進行設計。針對替代鹵素燈的設計，美國國家半導體LM2734的主要優(yōu)勢是體積小、可靠性高、輸出電流高達1A，恰好適合鹵素燈燈口直徑小的特點。取代鹵素燈之后，LED燈一般做成1W或3W。LED燈與鹵素燈相比有兩大優(yōu)勢：（1）光源比較集中，1W照明所獲得的

4、亮度等同于十幾瓦鹵素燈的亮度，因此比較省電；（2） LED燈的壽命比鹵素燈長。Vjinah- vojmoeLED燈的主要弱點是燈光的射角太窄，成本相對較高。但從長遠來看，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轉換器（例如LM5021）主要鎖定舞臺燈和路燈市場。VOLTAGEREGULATOR(UNEAR ORPRFB = 0.352 x 1 = 0.12W r O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。2. DC/DC轉換器目前，LED手電筒占據(jù)了 DC/DC轉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

5、和鎳鋅電池、堿性電池等。3W手電筒的應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700mA，一次充電后的電池使用時間縮短。盡管如此，對于上述應用國家半導體提供LM3475、LM2623A 和 LM3485 等方案。礦燈也是LED燈的主要應用領域之一，它屬于特種照明行業(yè)，需要專業(yè)的認證標準，中國對LED在礦燈領域的應用一直都很重視。目前，LED設計行業(yè)存在對特種行業(yè)的需求認識不足的問題，設計中常采用一些不切實際的、新奇的設計方案。例如，將LED燈和電池一起嵌入頭盔，卻沒有考慮到礦燈特

6、殊使用環(huán)境的各種需求，這可能是造成LED在礦燈市場的應用一直沒有打開局面的重要原因。對于礦燈LED應用，美國國家半導體提供了豐富的DC/DC穩(wěn)壓器產品，包括LM3485、LM3478和LM5010。已經用戶采用一顆1W的LED燈，周圍再放6顆普通的高亮度LED燈，構成一種具有特殊閃爍功能的礦燈?？偠灾?，LED燈在燈飾和特種照明行業(yè)有著廣泛的發(fā)展前景，國家半導體為此提供完整的新型LED驅動解決方案。圖3：基于LM2734的恒流驅動電路。高效的恒流驅動電路恒壓供電的基本電路(圖1左)采用反饋電阻RFB1和RFB2,當負載電流發(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

7、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，然后調整LED正端電壓，使流經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。以VFB等于1.25V為例，假設IF分別為15mA、350mA和700mA，采樣電

8、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，采樣電阻的設計對提高LED的功效至關重要，它應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 = 0.12

9、W (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，流經的電流也盡可能大。國家半導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，結合其它電阻和電容就可以構成一個完整、高效率的大功率LED恒流驅動電路。在實際使用中，有些LED恒流驅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決定了恒流驅動電

10、路的設計，而且對整個系統(tǒng)的效率有重要影響，因此仔細設計Rset對節(jié)省能源至關重要。圖3和圖4的詳細設計文件請向國家半導體當?shù)厥跈喾咒N商索取。一般來說，如果要求LED驅動電流的變化不超過標稱值的5%至10%，那么采用精度為2%的電阻就足夠了。LED驅動電流的典型波動范圍是正負10%。由于采樣電阻消耗的功率較大，應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的恒流驅動，而基于LM5021的恒流驅動設計方案則針對220V AC/DC轉換器的應用。恒流驅動與散熱的考慮就電子系統(tǒng)設計而言，工程師在設計LED恒流驅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，

11、國內外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，因此設計工程師要清楚地認識到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可以達到40流明的亮度，而有的只能達到20流明的亮度，這是因為LED光學效率還取決于材料和制作工藝等諸多環(huán)節(jié)。有些設計工程師為提高發(fā)光效率而采取加大驅動電流的辦法，例如，對于同一顆1W LED，加大驅動電流 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，這是設計恒流驅動過程中需要注意的重要問題。此外，LED照明系統(tǒng)的光學效率不僅僅取決于LED恒流

12、驅動方案，還與整個系統(tǒng)的散熱設計密切相關。為縮小體積，某些LED恒流驅動系統(tǒng)將LED驅動電路與散熱部分貼近設計，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，熱源太集中會產生熱損耗，因此LED驅動 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驅動電路與散熱部分貼近設計；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。光源神類普通照明白蟆燈普誦熒光燈:墾色熒洗燈緊湊型熒光燈 高任束燈 金廂囪比物*1鬲壓竹燈高面無極燈3000.15005600(5000-200001950

13、.2200-2500 2d00020000 100000光效W0- 12055-70色溫)平均壽命(h)30002000-5000全系列 全系列 全系列 3300-3001750280003000-40004000060000顯色指數(shù)Ra)Hi W65-92236D：;85100001200060006000表1：大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢。新應用對驅動器的要求大功率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用是汽車、 醫(yī)療

14、設備和儀器儀表及其它特種照明環(huán)境。但這些應用對LED驅動系統(tǒng)設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；具有沖擊負載保護、反相和過壓保護；待機功耗非常低；低帶隙基準 以減少電流檢測損耗以及具有PWM調整亮度的功能等。針對這些需求，美國國家半導體公司提供了全系列LED驅動器設計方案(見表2)，可以為用戶提供全面的LED驅動器解決方案。LED照明系統(tǒng)需要借助于恒流供電，目前主流的恒流驅動設計方案是利用線性或開關型DC/DC穩(wěn)壓器結 合特定的反饋電路為LED提供恒流供電，根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設計的差異，又可以分為電感型L ED驅動器和開關電容型LED驅動器。電感型升壓驅

15、動器方案其優(yōu)點是驅動電流較高，LED的端電壓較低、 功耗較低、效率保持不變，特別適用于驅動多只LED的應用。在大功率LED驅動器設計中，主要采用開 關電容型LED驅動方案，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 效率。先進的開關電容技術還能夠提高效率，因而在大功率LED驅動中應用廣泛。Part#惻用性能UM262 叩A手電筒應用成性/棵氫電池供電&皓L2TEV)峰值電流 L2A(LM26BLM347B汽車，醫(yī)疔，戶外 燈箸成用什:攔一氐仲 MOS乾 Vin (2.95VGV), 100kHz -? 1MHz nJ 淌推早通,和叫關斷電流(全溫度范圍)LMS733汽車-購略K心濘；.I. Vm電:i.| (2.7V-14V),游出范用 妙甫輸出電2巳1A, 袱劫串聯(lián)自先LEDLM5000汽車應擔BOV內置肝 1叫匕俑效率LM50G7 商, 5015汽車一剝生幻等內置珈,0 TA沖構道降H. J