基于大功率LED恒流驅(qū)動器的設(shè)計及其實例
大功率LED原理是是一個電光轉(zhuǎn)換的過程，當(dāng)一個正向偏壓施加于PN結(jié)兩端，由于PN結(jié)勢壘的降低，P區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子也向P區(qū)擴散，同時在兩個區(qū)域形成非平衡電荷的積累。廣泛的應(yīng)用于室內(nèi)外裝飾、特種照明方面，而大功率LED恒流驅(qū)動方案有利于對新的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。 恒流驅(qū)動和提高LED的光學(xué)效率是LED應(yīng)用設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題，本文介紹大功率LED的應(yīng)用及其恒流驅(qū)動方案的選擇指南，然后以美國國家半導(dǎo)體（NS）的產(chǎn)品為例，重點討論如何巧妙應(yīng)用LED恒流驅(qū)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(qū)動器設(shè)計與散熱設(shè)計的注意事項。 驅(qū)動芯片的選擇 LED驅(qū)動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分，但它關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的可靠性。目前，美國國家半導(dǎo)體公司的LED驅(qū)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(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)動芯片的選擇也要從這兩方面考慮。 圖1：可變電流和可變電壓基本電路 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)舻碾娫矗F(xiàn)有的LED可以在保留現(xiàn)有交流12V的條件下進行設(shè)計。針對替代鹵素?zé)舻脑O(shè)計，美國國家半導(dǎo)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?zé)魺艨谥睆叫〉奶攸c。 取代鹵素?zé)糁螅琇ED燈一般做成1W或3W.LED燈與鹵素?zé)粝啾扔袃纱髢?yōu)勢：（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。 LED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(zhuǎn)換器（例如LM5021）主要鎖定舞臺燈和路燈市場。 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，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(yīng)用國家半導(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)，中國對LED在礦燈領(lǐng)域的應(yīng)用一直都很重視。目前，LED設(shè)計行業(yè)存在對特種行業(yè)的需求認(rèn)識不足的問題，設(shè)計中常采用一些不切實際的、新奇的設(shè)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(yīng)用一直沒有打開局面的重要原因。 對于礦燈LED應(yīng)用，美國國家半導(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，國家半導(dǎo)體為此提供完整的新型LED驅(qū)動解決方案。 圖3：基于LM2734的恒流驅(qū)動電路 高效的恒流驅(qū)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(dāng)負(fù)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(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反饋端實現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)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(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)計對提高LED的功效至關(guān)重要，它應(yīng)該選取盡可能小的數(shù)值。 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=0.12W （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(jīng)的電流也盡可能大。國家半導(dǎo)體按照這個原理工作的穩(wěn)壓器有LM2736和LM2734. 圖4 從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設(shè)計 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)動方案，還與整個系統(tǒng)的散熱設(shè)計密切相關(guān)。為縮小體積，某些LED恒流驅(qū)動系統(tǒng)將LED驅(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)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(chǎn)生熱損耗，因此LED驅(qū)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(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)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。 表1：大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢 新應(yīng)用對驅(qū)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(diào)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(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LED驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)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(fù)載保護、反相和過壓保護；待機功耗非常低；低帶隙基準(zhǔn)以減少電流檢測損耗以及具有PWM調(diào)整亮度的功能等。 針對這些需求，美國國家半導(dǎo)體公司提供了全系列LED驅(qū)動器設(shè)計方案（見表2），可以為用戶提供全面的LED驅(qū)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(qū)動設(shè)計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LED提供恒流供電，根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設(shè)計的差異，又可以分為電感型LED驅(qū)動器和開關(guān)電 容型LED驅(qū)動器。電感型升壓驅(qū)動器方案其優(yōu)點是驅(qū)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(qū)動多只LED的應(yīng)用。在大功率LED驅(qū)動器設(shè)計中，主要采用開關(guān)電容型LED驅(qū)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(xué)效率。先進的開關(guān)電容技術(shù)還能夠提高效率，因而在大功率LED驅(qū)動中應(yīng)用廣泛。 表2：美國國家半導(dǎo)體的LED驅(qū)動器解決方案一覽表 目前LED照明受到社會廣泛關(guān)注，大功率led光效提高空間還很大，而大功率LED恒流驅(qū)動方案可以對新應(yīng)用的開發(fā)起到重要作用，相信在不遠的將來，LED照明會應(yīng)用在各個行業(yè)。
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