LED驅動電子電路設計圖集錦TOP11 —電路圖天天讀(130)

　　TOP1 低壓便攜設備LED驅動電路設計攻略

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/369207.htm

　　本文著重介紹半導體採用不同拓撲結構、用於低壓便攜設備背光或指示器應用的各種白光或RGB LED驅動器，並專門介紹了用於要求大電流能力的便攜設備閃光應用的驅動器，以及集成了多種功能的照明管理集成電路和針對扣式電池優化了的 LED驅動器，方便工程師結合具體應用選擇適合的產品。

　　白光LED廣泛用於小型液晶顯示器（LCD）面板及鍵盤背光以及指示器應用。高亮度LED則用於手機和數位相機的閃光光源。這些應用需要優化的驅動器解決方案，能夠延長電池使用時間、減小印製電路板（PCB）面積及高度。在這些應用領域，常見的LED驅動器方案涉及線性、電感型或電荷泵型不同拓撲結構，各有其特點。例如，電感型方案總能效最佳;電荷泵方案由於使用低高度陶瓷電容，佔用的電路板面積和高度極小; 線性方案非常適合色彩指示器以及簡單的背光應用。所有這三種類型拓撲結構的LED驅動器方案（參見圖1），滿足用戶不同的應用需求。

　　

　　圖1：低壓便攜設備應用的不同LED驅動器拓撲結構示例

　　在電荷泵型方案方面，半導體提供支持不同調光類型的產品，如單模、雙模、三模或四模電荷泵方案等，如CAT3200、 NCP5602、NCP5612、NCP5623、CAT3606、CAT3616、CAT3626、CAT3603、CAT3604、CAT3614、 NCP5603等。以NCP5623為例，這是一款採用 2.0 mm&TImes;2.0 mm&TImes;0.55 mm LLGA-12無鉛封裝的高能效LED驅動器，帶有I2C接口，內置漸進調光功能，特別設計用於驅動手機等便攜產品中的RGB LED裝飾光和增強型LCD背光。NCP5623實現94%峰值能效和低於1微安的待機電流，將便攜設備電池工作時間延至最長。對典型應用而言，該器件除了具備極小型IC封裝的優勢之外，兼具僅需4個無源元件就能工作的特點。該器件還具備短路和過壓保護功能，在LED失效時保護系統。

　　在電感升壓型方案方面，安森美半導體提供採用PWM調光方式的不同產品，如輸出電流在20 mA到50 mA之間的CAT32、CAT37、CAT4137、CAT4139、CAT4237、CAT4238和NCP5005、NCP5010，以及提供更大輸出電流的CAT4240（250 mA）、NCP5050（600 mA）和NCP1422（800 mA）等。這些電感升壓型驅動器適合在低壓便攜設備背光和閃光應用中驅動白光LED。

　　在線性背光碟機動器方案方面，安森美半導體提供2到 4個通道的多款單模LED驅動器，如CAT4002A、CAT4002B、 CAT4003B、CAT4004A和CAT4004B等。這些背光碟機動器提供32級調光控制，提供25 mA的固定或可調節輸出電流和低於1 μA的極低關閉電流，而且沒有開關電源噪聲問題。這些單模LED驅動器通常作為系統級方式的一部分，用於設計集成低電壓LED和簡單LED驅動器的背光電路。這些驅動器電路簡單，幫助延長電池使用時間、降低成本（如節省外部電容）及降低噪聲，為入門級便攜產品及低成本手機市場提供一種簡單的方案。

　　

　　圖2：CAT4002B應用電路圖。

　　專門用於相機閃光的LED驅動器方案

　　值得一提的是，在相機閃光應用中，除了可以使用NCP5005和CAT4134這樣的電感升壓型驅動器，還可以使用NCP5680和 CAT3224這樣的電荷泵型驅動器，從而支持高百萬像素相機閃光，以及替代氙氣閃光，配合纖薄設計。其中，NCP5680和CAT3224均是基於超級電容的LED驅動器，分別可提供10 A和4 A的大閃光電流。

　　實際上，如今的500萬像素或更高解析度的相機為了在弱光下拍得高解析度的照片，需要高亮度的閃光。當今的白光LED能夠提供這個等級的光能，但需要比相機電池能提供的能量高出近400%。以安森美半導體的NCP5680為例，這器件配合電池管理一顆超級電容來驅動LED閃光至充分亮度，提供達10 A的大峰值電流。NCP5680中的集成驅動器還管理超級電容，處理其它峰值功率功能，如變焦、自動對焦、音頻、視頻、無線傳輸、GPS數據讀取及射頻 （RF）放大，延長電池使用時間而不放棄纖薄型設計。NCP5680集成了超級電容充電、浪湧電流管理和LED電流控制所需的全部電路，節省設計人員的開發時間、電路板空間及元器件成本。

　　

　　圖3：業界首款單晶片4 A超級電容LED驅動器CAT3224應用電路圖。

　　CAT3224則是業界首款4 A單晶片超級電容LED驅動器（見圖3），集成了雙模1x/2x電荷泵，提供三項關鍵功能：精密的超級電容充電控制、電流放電至LED閃光的管理，以及為 LED手電筒模式提供恆流。這三種模式的工作電流能以3顆外部電阻作簡易編程，能吸收達4 A的LED閃光脈衝電流。超級電容技術的高峰值電流優勢，結合CAT3224簡單的並行邏輯接口，使這器件成為採用LED替代氙氣燈的應用的極佳選擇。

　　其它新穎LED驅動/控制器

　　在低壓便攜設備應用方面，除了上述LED驅動器，安森美半導體還提供其它一些新穎的產品，如NCP5890和CAT3661。其中，NCP5890是一款獨特的照明管理集成電路（LMIC），以3 mm x 3 mm x 0.5 mm的極小型封裝中集成了液晶顯示器（LCD）背光、裝飾光控制和環境光感測功能。

　　眾所周知，當今的便攜電子產品很流行較大的LCD屏幕和LED照明效果。為了滿足所有這些照明要求，硬體設計人員通常需要採用數個LED驅動器。由於電路板空間有限，要實現更先進的照明效果，通常需要大量的軟體編程和微控制器（MCU）資源。安森美半導體提供NCP5890這樣的更簡單單晶片矽解決方案，具有多種以指令控制實現的照明效果，幫助硬體設計工程師滿足他們特定的照明和電源設計目標。這款照明管理IC具有30 V輸出電壓能力，驅動串聯LED，實現對LCD屏幕的均衡背光。此外，這器件控制三組白光 LED或RGB LED，在鍵盤或底盤上營造出裝飾光圖案，與背光形成獨特的組合。這驅動器還根據環境光的亮度來調節背光電流，從而延長電池使用時間。NCP5890是緊湊型智慧型手機等應用的專用解決方案。

　　

　　圖4：針對扣式電池優化的CAT3661 LED驅動器應用電路圖。

　　如今，越來越多的創新型便攜設備採用扣式電池（coin cell）供電，如醫療應用中的血糖儀、數字體溫計、血氧計、呼吸分析儀和生理監測儀等。由於這種電池的獨特特性以及需要長工作壽命，這些緊湊型應用需要定製的LED驅動器，不僅要管理背光，還要監測電池電量。在這類應用中，可以採用安森美半導體計劃於2010年下半年推出的CAT3661 2至2.5 V單LED驅動器。這器件同樣採用安森美半導體專利的四模（Quad Mode）電荷泵架構，能效高達92%，靜態電流低至約150 μA，提供可調節的低電池電量檢測功能，以及強固的LED故障監測、軟啟動和短路限制等保護功能，採用低高度的3 x 3 mm TQFN-16封裝，非常適合這些便攜設備應用。

　　TOP2 內置電源LED日光燈應用電路設計方案

　　目前，幾乎市場上所有LED日光燈的電源都是採用內置式。所謂內置式就是指電源可以放在燈管裡面。這種內置式的最大優點就是可以做成直接替換現有的螢光燈管，而無需對原有電路作任何改動。所以內置式電源的形狀通常都是做成長條形，以便塞進半圓形的燈管中去。隔離式是指在輸入端和輸出端有隔離變壓器隔離，這種變壓器可能是工頻也可能是高頻的。但都能把輸入和輸出隔離起來。可以避免觸電的危險。也容易通過CE或UL認證。

　　內置電源LED日光燈的耗電

　　採用內置式電源的最大優點就是可以直接替換現有螢光燈而不需要對原有的接線做任何改變。那麼內置式的這種優點是不是也付出一定的代價呢？的確如此，而且這個代價還不小。這要從普通螢光燈的鎮流器結構說起：我們知道，最普通的螢光燈的起輝是採用一個串聯的鐵芯電感和一個並聯的起輝器（圖 3a）。對於這種電路在用LED日光燈直接替換時，只要拔掉起輝器就可以了。但是由於鐵芯電感仍然串聯在電路中，所以它仍然帶來將近 6.4W（Philip）到10W（國產）的損耗，結果由於這部分的額外損耗就大大降低了LED的節電功效。例如，本來一個20W的LED日光燈可以取代一個36W的螢光燈，以內置非隔離式的20W LED日光燈為例，實測結果如下。

　　

　　（b）電子鎮流器

　　圖3. 螢光燈電源電路圖

　　也就是說，直接換的結果是效率大大降低，對於國產電感鎮流器，效率只有56.2%。只比普通螢光燈節電6.8W。這使得LED日光燈的節電效能大打折扣，以致合同能源管理（EMC）難以執行。

　　散熱和壽命

　　這種半圓柱的表面積為：2πR*h/2=πR*h。對於T8燈管來說，它的直徑為26mm，所以半徑為13mm。1.2米的T8燈管，其表面積為：π*1.3+120=490cm2，我們知道LED散熱器的表面積通常要求60cm2/W。，所以這種半鋁管只能散8W左右的熱量。而T8型 LED日光燈通常輸入功率為20W，假定LED的發光效率只有20%，那麼有16W的輸入電功率都變成熱量。而現在只能散去8W的熱量，而還有8W的熱量無法散去，其結果就是使得LED的結溫升高，壽命縮短。

　　不僅如此，由於電源內置，電源的熱量也就加入到管內，假定電源的效率為88％，所以就有2.4W的熱量也要散去，相當於又要增加30％的熱量，也就是說一共有10.4W的功率無法散發出去。使得LED的散熱又增加的一份困難，或者說，使得LED的使用壽命也更加縮短。而且，電源的長度大約為燈管長度的五分之一，電源所發的熱也集中在這一段裡面，使得靠近電源的這些LED受到更熱的烘烤，因而壽命也比其他地方的LED更短，燈管在損壞時，靠近電源的一段先黑掉。可以認為，內置電源的LED日光燈的壽命不會高於10，000小時。而且把電源放到管子裡面，電源本身還要承受由LED產生的很高的環境溫度，這就大大降低了電源裡的電解電容的壽命，也就降低了整個燈具的壽命。

　　使用成本

　　因為內置電源的LED日光燈壽命只有10，000小時，和外置電源的50，000小時相比，其使用成本顯然高了5倍。不僅如此，在使用過程中，不管是 LED損壞了，還是電源損壞了，通常兩個都要一起丟棄。而外置式電源的LED日光燈，則可以壞了哪個丟哪個。此外，內置電源式也增加了電子垃圾的回收處理的成本。因為必須把電源部分拆出來再分別處理。外置式電源，不僅效率高、壽命長，而且還可以增加手動調光或自動調光等特殊功能，這些都是內置式所無法比擬的！可以認為，內置式的缺點和問題是很嚴重的，遺憾的是，有些人只是貪圖它在購買時可能便宜10%，而不顧其使用成本高5倍以上。真可謂是為小失大，得不償失！

　　LED電源次級恆流經典電路TOP6

　　本文就對LED照明電源當中次級恆流的一些常見方法進行了總結。LED驅動電源將直接決定LED燈的可靠性與壽命，作為電源工程師，我們知道LED的特性需要恆流驅動，才能保證其亮度的均勻，長期可靠的發光。　首先我們先來談談比較流行的TL431的幾種恆流方式。

　　單個TL431恆流電路

　　

　　如上圖，即是利用單個TL431恆流的示意圖。這種電路的原理非常簡單，主要利用了431的2.495V的基準來做恆流，並且同樣限制了LED上面的壓降，但優點與缺點同樣明顯。

　　優點：電路簡單，元器件少，成本低，因為TL431的基準電壓精度高，R12，T13隻要採高精度電阻，恆流精度比較高。

　　缺點：由於TL431是2.5V基準，故恆流取樣電路的損耗極大，不適合做輸出電流過大的電源。而此電路的致命缺陷是不能空載，故不適合做外置式的LED電源，所以下面我們對線路的一些缺陷進行了改進。

　　單個TL431恆流改進型電路

　　

　　如上圖，即是利用單個TL431恆流的改進型示意圖

　　原理：此電路同樣是利用了TL431的2.495V的基準來做恆流，跟上面的電路不同點在於減少了電流取樣電路的電壓，只要合計設計R12，R13，R14的值，可以限制LED上面的壓降。

　　優點：電路簡單，元器件少，成本低，跟上面電路相比，顯著降低了取樣電阻的功耗，恆流精度很高，克服了上面的電路不能空載的致命缺陷，當有個別LED擊穿時，可以自動調整輸出電壓。

　　缺點：當輸出空載時，輸出電壓會有上升，上升幅度由電流取樣電路電阻與R12，R13的比值決定。

　　其實這個電路的真正缺點是：當單個LED的壓降一致性不高時，恆流點也會相應發生變化。比如最常見的12串的LED燈，最低壓降為35.5V左右，最高回到37.4V左右（個人的經驗，當然不同廠家的情況會不一樣），那麼恆流精度就會相差到5%-8%。

　　TOP3 兩個TL431恆流電路

　　從圖中我們可以看到，左邊ZENER可透過Photo限制達恆壓效果，但不是保護Shutdown而是一直卡著右邊ZENER。很難灌350mA到Currentsensor。這個電路還有個最大特點是：在某個範圍內可以精確的恆壓恆流。

　　

　　3個TL431恆流電路

　　其實這個電路是在原本電路基礎上增加了一個恆壓電路而已。

　　

　　三極體恆流方案

　　

　　此圖原理是通過改變三極體的IB電流來控制LED中的電流，同樣存在損耗大的缺點。

　　LM358恆流電路

　　

　　此電路的優點是電路相對比較簡單，恆流精度極高，不受溫度影響，成本較低，是目前大部分廠家使用的經典電路，你把它看成一個反向比例運算放大器就明白妙處了。其實LED電源的次級恆流的變化是比較多的，在這裡為大家列舉的電路也許並不完全，只是挑選了一些比較經典的電路來進行分析。

　　TOP4 LED直接驅動電路防護應用設計攻略

　　LED燈具有高效、可靠、低耗能等特點，有著非常廣泛的用途，常用來做照明、顯示、信號燈等等。 但由於LED使用環境的複雜性，尤其是當LED是用在戶外時，其驅動電路非常容易遭受到過電壓和過電流的衝擊而造成故障或損壞，引發不必要的財產損失甚至是人員傷亡，因此在設計LED驅動電路時必須要充分考慮並做好保護措施，從而提高電路的可靠性，降低故障發生率， 下面就LED驅動電路的防護進行簡單的探討。

　　LED驅動電路一般由幾個部分構成， 包括AC輸入、整流，、DC/DC轉換、等模塊， 根據各個模塊電壓和電流及可能遭受到的浪湧情況的不同需要分開來做有針對的防護。

　　1、LED驅動電路浪湧保護應用

　　

　　在交流電源AC輸入端浪湧保護方案，可以採用壓敏電阻（MOV） 或加氣體放電管（GDT/SPG）組合來進行設計。在有接地的情況下，可以採用如圖1差共模同時防護的理念，在L-N之間並聯壓敏電阻（MOV），可以有效地抑制差模所產生的浪湧過電壓，起到對後級電路保護，在L/N-PE之間分別採用MOV 或MOV+GDT/SPG對地的電路連接方式可以有效的將共模浪湧能量洩放到大地， 防止浪湧引入到後級電路而造成損壞;如果在電源沒有接地線情況下，如圖2則在L-N線間可直接並聯壓敏電阻進行差模防護即可。為了避勉MOV保護元件在防護失效之後，出現短路失效著火燃燒的可能性，可以使用TMOV或PMOV進行保護。針對上面 MOV交流耐受電壓選擇至少要高於線路最大交流工作電壓1.2~1.4倍，以避勉誤動作，在有同時使用放電管GDT/SPG時，放電管擊穿電壓的下限值必須至少高於電路的最大峰值電壓，耐受電流必須根據自身浪湧等級的需求選擇不同電流等級，以符合於浪湧測試標準的要求。

　　2、AC/DC後防護電路示意圖

　　

　　在有交流經過整流後，後端直流電路中的晶片對過壓和過流非常敏感，晶片易受損壞，如圖3所示，經整流之後並聯瞬態抑制二極體TVS， 在有過壓產生時，TVS會以皮秒級的反應速度動作而把過高電壓鉗制在一個安全的範圍內，從而保護後端晶片免受過壓的衝擊。異常電流可以通過在電路中設計自恢復保險絲PPTC進行防護，PPTC在過流產生時阻抗能迅速的變大，從而有效地阻斷異常電流，直至故障排除PPTC就可繼續恢復低阻狀態，使電路能繼續恢復到正常工作狀態。TVS選用時截止電壓一般為正常工作電壓峰值的1.2~1.4倍即可，TVS功率大小要根據過壓的能量選擇合適的等級。PPTC選擇要結合電路工作電流及電壓進行參考以及環境溫度也是影響PPTC選擇一個重要關鍵指標，PPTC的保持電流會隨著應用環境溫度的升高而降低。PPTC在電路中的位置一般串聯在TVS前端，這樣PPTC不僅可以對電路晶片有效的起到保護作用同時又可以對TVS管起到一定保護作用，可以大大的提高TVS管的使用壽命。

　　3、LED直接驅動電路防護示意圖

　　

　　LED發光的亮度是由通過LED的電流大小來控制， 不穩定的電流又極易燒壞LED，如圖4在DC/DC模塊後可以在電路中串聯恆流二極體來獲得穩定的電流，，這樣不僅可以使LED獲得穩定的亮度，，又不至於因電流的不穩定而燒壞LED。低功率的LED燈工作電流一般為10mA到30mA，大功率的LED燈工作電流從200mA到1400mA不等，可以根據所需要的工作電流選擇型號合適的恆流二極體。由於LED燈也易遭受到靜電放電過壓的幹擾受損， 因此DC/DC電路後端的LED燈也需要做一定的有效過壓防護，一般採用TVS管就可以。

　　4、LED燈串起防護示意圖

　　當多個的LED燈通過串聯的方式進行連接時， 如圖5所示，一旦出現LED燈出現失效開路故障，整個LED燈都會因為此故障而影響到其它LED燈正常工作，為了解決這個問題， 可以針對每個LED燈上並聯一個防開路的LED保護器件Tx，這樣就可充分的提高每個LED的使用效率，當單個LED出現失效開路故障時， 與之並聯的LED開路保護器件Tx會立即導通， 使之可持續的維持處於通態，從而保證了電路中其它串聯的LED不因單顆LED的開路故障而熄滅，但此防護措施成本相對比較高。

　　

　　綜上所述， LED驅動電路一般由AC輸入、整流，、DC/DC轉換、等模塊組成，從而一個LED驅動電路大致整體的防護方案可以參考如圖6所示：

　　圖6 LED驅動電源整體防護示意圖

　　

　　在實際應用中，浪湧保護元件型號的選擇與電路的工作電壓電流，電路要做的雷擊浪湧測試等級標準，工作環境， 晶片的參數等諸多因素有著密切的關係， 因此在考慮和設計LED驅動電路防護時，必須要進行綜合的考量分析，才能有針對性的設計出比較合理的防護方案。

　　TOP5 採用LM836的LED數碼管驅動電路原理分析

　　如下圖所示為數碼顯示日曆時鐘電路。它能同時顯示月、日、時、分、秒和星期，月、日、星期自動轉換，每天可定鬧2次，有59min以內的睡眠定時功能。該日曆時鐘走時準確，調校方便，夜間看時清楚，製作容易。

　　

　　工作原理：

　　該電路的核心IC1是一片PMOS大規模集成電路LM8364。4腳為12/24小時制選擇端，高電平為24小時制。6腳懸空時應從7腳輸入60Hz時基信號，接高電平時應從7腳輸入50Hz時基信號。5、8、9、10、11、12、14、16、18腳分別接高電平時，可實現其相應的功能。當鬧或睡眠定時信號到來時，17腳、42腳或15腳輸出的是可持續59min的高電平信號，控制VT4，再由VT4控制蜂鳴器。當然VT4也可控制其他電路（如繼電器，收音機）。2、3、20～41腳可直接驅動LED數碼管作顯示。這些引腳除了能輸出「時分」信號外，還能輸出「月日」和「秒」信號，這些引腳是公用的。把 5腳和10腳同時接高電平，將在「時分」輸出端輸出電路「月日」；把10腳接高電平5腳接低電平，將在「分」輸出端輸出「秒」，圖中的IC2是一片 COMS十進位計數/分配器集成電路CD4017，就是為IC1的5腳、10腳適時提供高電平的，這樣IC1就快速反覆地輸出月日、時分、秒信號。IC2 還控制著VTl～VT3，使數碼管顯示某一內容時其他內容不顯示。由於人眼的視覺暫留現象，將觀察不到數碼管的閃爍，看到的是月日時分秒同時顯示。IC2 還起到調校選擇的作用。按下AN1，顯示內容將被鎖定（隨機性的），顯示內容就是當前可調校的內容。反覆按下AN1，可選擇需要調校的內容。IC3是一片 CMOS14位二進位串行計數分頻和振蕩集成電路CD4060，以它為核心構成時基信號發生電路，分別給IC1和IC2提供60Hz和240Hz的時基信號。該電路決定時鐘走時精度，可微調C2，使日誤差在0.3s之內。若要進一步提高走時精度，應穩定IC3的工作電壓；或採用其他50Hz或60Hz時基信號發生電路，使用諧振頻率更高的晶振。

　　以IC4的CD4017為核心構成星期顯示電路。IC4的時基信號（天）由IC1的42腳（鬧 2）提供，它的復位端（15端）接第7個輸出端（6腳），這樣當IC1的42腳輸出高電平時，IC4的輸出端3、2、4、7、10、1、5腳依次變為高電平，直接驅動發光二極體顯示星期。在該電路中，星期天的顯示沒有用3腳的高電平，而是由電源經電阻R3限流後提供電流，這樣表示星期天的LED就一直亮著，提供參照物，使夜晚看星期更方便準確。由於IC1的鬧2時間往往不設置在零點，所以星期的轉換可能會滯後幾小時，但對使用沒有大的影響。若每天需定鬧 2次，須將鬧2設置在鬧1之前；若每天只需定鬧1次，那么正好把鬧2設置在零點，斷開R10，用鬧2來根供準確的顯示星期用時基信號，只用鬧1來實現定鬧功能。

　　當交流供電中斷時，由電池繼續給IC1、IC3、IC4供電，定時、計時功能保持，但IC2停止工作，VT1、VT2、VT3截止，LED顯示部分不亮，這樣可以延長電池供電時間。在用交流供電時，可通過R1給電池充電。

　　元器件選擇：

　　集成電路IC1選擇LM8364，IC2選擇CD4017B，IC3選擇CD4060B，IC4選擇CD4017B。三極體要選用NPN型的，放大倍數大些為好。顯示用的10個LED數碼管和9個發光二極體應選用高亮或超高亮度型的，數碼管選用共陰極型的。顏色及尺寸大小可根據自已的愛好選用。例如：顯示日期用綠色0.8英寸數碼管，顯示時間用0.8英寸紅色數碼管，顯示秒用0.56英寸紅色數碼管，發光二極體中心一個選用紅色，環形6個選用綠色，兩個選用黃色二極體。電池可選用3.6V60mAh的鎳鎘電池。蜂鳴器應選用7.5V或9V小型的。8個按鈕可直接選用電視選臺用的8位自鎖開關 （須去掉彈簧，使之失去自鎖功能）。變壓器應選用功率3W次級交流電壓是9V的。

　　LED驅動照明電源電路拓撲結構設計詳解

　　圖 1顯示了三種基本的電源拓撲示例。在圖1中，降壓穩壓器會通過改變MOSFET的開啟時間來控制電流進入LED。電流感應可通過測量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應與LED串聯。對該方法來說，重要的設計難題是如何驅動 MOSFET。從性價比的角度來說，推薦使用需要浮動柵極驅動的N通道場效應電晶體（FET）。這需要一個驅動變壓器或浮動驅動電路（其可用於維持內部電壓高於輸入電壓）。

　　圖1還顯示了備選的降壓穩壓器。在此電路中，MOSFET對接地進行驅動，從而大大降低了驅動電路要求。該電路可選擇通過監測FET電流或與LED串聯的電流感應電阻來感應LED電流。後者需要一個電平移位電路來獲得電源接地的信息，但這會使簡單的設計複雜化。另外，圖1中還顯示了一個升壓轉換器，該轉換器可在輸出電壓總是大於輸入電壓時使用。由於MOSFET對接地進行驅動並且電流感應電阻也採用接地參考，因此此類拓撲設計起來就很容易。該電路的一個不足之處是在短路期間，通過電感器的電流會毫無限制。您可以通過保險絲或電子斷路器的形式來增加故障保護。此外，某些更為複雜的拓撲也可提供此類保護。

　　

　　圖 2顯示了兩款降壓-升壓型電路，該電路可在輸入電壓和輸出電壓相比時高時低時使用。兩者具有相同的折衷特性（其中折衷可在有關電流感應電阻和柵極驅動位置的兩個降壓型拓撲中顯現）。圖2中的降壓-升壓型拓撲顯示了一個接地參考的柵極驅動。它需要一個電平移位的電流感應信號，但是該反向降壓-升壓型電路具有一個接地參考的電流感應和電平移位的柵極驅動。如果控制IC與負輸出有關，並且電流感應電阻和LED可交換，那麼該反向降壓-升壓型電路就能以非常有用的方式進行配置。適當的控制IC，就能直接測量輸出電流，並且MOSFET也可被直接驅動

　　

　　該降壓-升壓方法的一個缺陷是電流相當高。例如，當輸入和輸出電壓相同時，電感和電源開關電流則為輸出電流的兩倍。這會對效率和功耗產生負面的影響。在許多情況下，圖3中的「降壓或升壓型」拓撲將緩和這些問題。在該電路中，降壓功率級之後是一個升壓。如果輸入電壓高於輸出電壓，則在升壓級剛好通電時，降壓級會進行電壓調節。如果輸入電壓小於輸出電壓，則升壓級會進行調節而降壓級則通電。通常要為升壓和降壓操作預留一些重疊，因此從一個模型轉到另一模型時就不存在靜帶。

　　當輸入和輸出電壓幾乎相等時，該電路的好處是開關和電感器電流也近乎等同於輸出電流。電感紋波電流也趨向於變小。即使該電路中有四個電源開關，通常效率也會得到顯著的提高，在電池應用中這一點至關重要。圖3中還顯示了SEPIC拓撲，此類拓撲要求較少的FET，但需要更多的無源組件。其好處是簡單的接地參考FET驅動器和控制電路。此外，可將雙電感組合到單一的耦合電感中，從而節省空間和成本。但是像降壓-升壓拓撲一樣，它具有比「降壓或升壓」和脈動輸出電流更高的開關電流，這就要求電容器可通過更大的RMS電流。

　　

　　出於安全考慮，可能規定在離線電壓和輸出電壓之間使用隔離。在此應用中，最具性價比的解決方案是反激式轉換器（請參見圖4）。它要求所有隔離拓撲的組件數最少。變壓器匝比可設計為降壓、升壓或降壓-升壓輸出電壓，這樣就提供了極大的設計靈活性。但其缺點是電源變壓器通常為定製組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中存在很高的組件應力。在穩定照明應用中，可通過使用一個「慢速」反饋控制環路（可調節與輸入電壓同相的LED電流）來實現功率因數校正 （PFC）功能。通過調節所需的平均LED電流以及與輸入電壓同相的輸入電流，即可獲得較高的功率因數。

　　

　　調光技術

　　需要對LED進行調光是一件很平常的事。例如，可能需要調節顯示屏或調節建築燈的亮度。實現此操作的方式有兩種：即降低LED電流或快速打開LED再關閉，然後使眼睛最終得到平衡。因為光輸出並非完全與電流呈線性關係，因此降低電流的方法效率最低。此外，LED色譜通常會在電流低於額定值時發生改變。請記住：人對亮度的感知成指數倍增，因此調光就需要電流出現更大的百分比變動。因為在全電流下，3%的調節誤差由於電路容差緣故可在10%的負載下放大成 30%甚至更大的誤差，因此這會對電路設計產生重大的影響。儘管存在響應速度問題，但通過脈寬調製（PWM）來調節電流仍更為精確。當照明和顯示時，需要 100Hz以上的PWM才能使人眼不會察覺到閃爍。10%的脈衝寬度處於毫秒範圍內，並且要求電源具有高於10kHz以上的帶寬。

　　如表2所示，在許多應用中使用LED正變得日益普遍。它將會採用各種電源拓撲來為這些應用提供支持。通常，輸入電壓、輸出電壓和隔離需求將規定正確的選擇。在輸入電壓與輸出電壓相比總是時高時低時，採用降壓或升壓可能是顯而易見的選擇。但是，當輸入和輸出電壓的關係並非如此受抑制時，該選擇就變的更加困難，需要權衡許多因素，其中包括效率、成本和可靠性。

　　TOP6 電容降壓LED驅動電源電路TOP4

　　採用電容降壓電路是一種常見的小電流電源電路，由於其具有體積小﹑成本低﹑電流相對恆定等優點，也常應用於LED的驅動電路中。

　　圖一 為一個實際的採用電容降壓的LED驅動電路：請注意，大部分應用電路中沒有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制電晶體，建議連接上，因壓敏電阻或瞬變電壓抑制電晶體能在電壓突變瞬間（ 如雷電﹑大用電設備起動等 ）有效地將突變電流洩放，從而保護二級關和其它電晶體，它們的響應時間一般在微毫秒級 。

　　

　　電路工作原理：

　　電容C1的作用為降壓和限流：大家都知道，電容的特性是通交流﹑隔直流，當電容連接於交流電路中時，其容抗計算公式為：XC = 1/2πf C

　　式中﹐XC 表示電容的容抗﹑f 表示輸入交流電源的頻率﹑C 表示降壓電容的容量。　流過電容降壓電路的電流計算公式為：I = U/XC

　　式中 I 表示流過電容的電流﹑U 表示電源電壓﹑XC 表示電容的容抗，在220V﹑50Hz的交流電路中，當負載電壓遠遠小於220V時，電流與電容的關係式為﹕I = 69C 其中電容的單位為uF，電流的單位為mA在220V﹑50Hz的交流電路中，理論電流與實際測量電流的比較電阻R1為洩放電阻，其作用為：當正弦波在最大峰值時刻被切斷時，電容C1上的殘存電荷無法釋放，會長久存在，在維修時如果人體接觸到C1 的金屬部分，有強烈的觸電可能，而電阻R1的存在，能將殘存的電荷洩放掉，從而保證人﹑機安全。洩放電阻的阻值與電容的大小有關，一般電容的容量越大，殘存的電荷就越多，洩放電阻就阻值就要選小些。經驗數據如下表，供設計時參考：D1 ~ D4的作用是整流；其作用是將交流電整流為脈動直流電壓。C2﹑C3的作用為濾波；其作用是將整流後的脈動直流電壓濾波成平穩直流電壓壓敏電阻（ 或瞬變電壓抑制電晶體 ）的作用是將輸入電源中瞬間的脈衝高壓電壓對地洩放掉；從而保護LED不被瞬間高壓擊穿。LED串聯的數量視其正嚮導通電壓（ Vf ）而定，在220V AC電路中；最多可以達到80個左右。

　　組件選擇：電容的耐壓一般要求大於輸入電源電壓的峰值，在 220V，50Hz的交流電路中時，可以選擇耐壓為400伏以上的滌綸電容或紙介質電容。D1 ~D4 可以選擇IN4007。濾波電容C2﹑C3的耐壓根據負載電壓而定，一般為負載電壓的1.2倍。其電容容量視負載電流的大小而定。

　　下列電路圖為其它形式的電容降壓驅動電路，供設計時參考：

　　

　　在圖 二 電路中，可控矽SCR及R3組成保護電路，當流過LED的電流大於設定值時，SCR導通一定的角度，從而對電路電流進行分流，使LED工作於恆流狀態﹐從而避免LED因瞬間高壓而損壞。

　　

　　在圖三電路中，C1﹑R1﹑壓敏電阻﹑L1﹑R2組成電源初級濾波電路，能將輸入瞬間高壓濾除，C2﹑R2組成降壓電路，C3﹑C4﹑L2﹑及壓敏電阻組成整流後的濾波電路。此電路採用雙重濾波電路，能有效地保護LED不被瞬間高壓擊穿損壞。

　　

　　圖四 是一個最簡單的電容降壓應用電路，電路中利用兩隻反並聯的LED對降壓後的交流電壓進行整流，可以廣泛應用於夜光燈﹑按鈕指示燈，要求不高的位置指示燈等場合。

　　解讀LT3743的LED驅動新型調光經典電路

　　LT3743 實現了超快的大電流 LED 上升時間，並提供了準確的電流調節。由於它具備支持多種電流狀態的能力，因此通過實現 LED 彩色的簡易混合而滿足了高性能影院級 DLP 投影機的要求。除了速度以外，通過允許使用一個緊湊型低值電感器，LT3743 的開關電容拓撲結構還縮減了電路板的外形尺寸。其他特點包括開關周期同步、過壓保護、高效率以及輕鬆適應各種應用需求的能力。

　　LT3743 是一款同步降壓型 DC/DC 控制器，它運用固定頻率、平均電流模式控制，以通過一個與電感器相串聯的檢測電阻器準確地調節電感器電流。在一個 0V 至「低於輸入電壓軌 2V」的輸出電壓範圍內，LT3743 能夠以 ±6% 的準確度來調節任意負載中的電流。過把準確的模擬調光與 PWM 調光組合起來，實現了精準、寬範圍的 LED 電流控制。模擬調光通過 CTRL_L、CTRL_H 和 CTRL_T 引腳來控制；PWM 調光則通過 PWM 和 CTRL_SEL 引腳來控制。通過採用在外部進行開關操作的負載電容器這種獨特的做法，LT3743 實現了高和低模擬狀態之間的快速變換，從而能夠在幾 μs 的時間內改變已調 LED 電流水平。開關頻率可以在 200kHz 至 1MHz 的範圍內進行設置和同步至一個頻率範圍為300kHz 至1MHz 的外部時鐘。

　　TOP7 開關輸出電容器拓撲結構

　　在傳統的電流調節器中，負載兩端的電壓存儲於輸出電容器之中。如果負載電流突然改變，則輸出電容器中的電壓必須進行充電或放電以與新的已調電流相匹配。在轉換期間，負載中的電流未得到良好的控制，因而導致了緩慢的負載電流響應時間。LT3743 通過採用一種獨特的開關輸出電容器拓撲結構解決了這一問題，該拓撲結構實現了超快的負載電流上升和下降時間。這種拓撲結構背後的基本概念是：LT3743 起一個已調電流源的作用，負責向負載提供驅動電流。對於某個給定的電流，負載兩端的電壓降存儲於第一個開關輸出電容器中。當需要一種不同的已調電流狀態時，將第一個輸出電容器關斷，並接通第二個電容器。這使得每個電容器能夠存儲與期望已調電流相對應的負載電壓降。

　　圖 1 示出了具有各種控制引腳的基本拓撲結構。PWM 和 CTRL_SEL 引腳為數字控制引腳，用於確定已調電流的狀態。CTRL_H 和 CTRL_L 引腳是具有一個 0V 至 1.5V 全標度範圍的模擬輸入，可在電流檢測電阻器兩端產生一個 0mV 至 50mV 的已調電壓。

　　

　　圖 1：基本的開關電容器拓撲結構

　　儘管 LT3743 可以採用開關輸出電容器來配置，但它能夠很容易地適應任何傳統的模擬和/或 PWM 調光方案

　　開關周期同步

　　LT3743 使所有的開關脈衝邊沿同步至 PWM 和 CTRL_SEL 上升沿。同步賦予了系統設計師採用任意周期或非周期 PWM 調光脈衝寬度和佔空比的自由度。對於大電流 LED 驅動器而言，這是從零電流或低電流狀態恢復至高電流狀態過程中必不可少的特點。通過在 CTRL_SEL 或 PWM 信號變至高電平時重新起動時鐘，電感器電流將立即開始斜坡上升，而無須等待一個時鐘上升沿。未採用同步時，時鐘脈衝沿和 PWM 脈衝沿的相位關係將不受控制，因而有可能在 LED 光輸出中引起明顯的抖動。當採用一個具 SYNC 引腳的外部時鐘時，開關周期將在 8 個開關周期之內重新同步至外部時鐘。

　　一款適合高端 DLP 投影機、採用開關輸出電容器的 24V、20A LED 驅動器。高端 DLP 投影機要求極高質量的圖像和彩色重現。為了實現高的彩色準確度，各個 LED 當中的彩色偏差是通過混入其他兩個彩色 LED 的色彩來校正的。例如：當紅光 LED 處於滿電流導通狀態時，藍光和綠光 LED 將以低電流水平接通，這樣它們就能夠被混入以產生準確的紅光。這種方法需要具備在較低 （約 2A） 和較高 （約 20A） LED 電流之間進行快速轉換的能力，以保持 PWM 調光脈衝沿。圖 3 示出了一款專供高端 DLP 投影機使用的 24V/20A LED 驅動器。

　　

　　圖3：採用開關輸出電容器的 24V/20A LED 驅動器

　　450kHz 的較低開關頻率允許使用一個非常小的 1.0μH 電感器。在 25% 紋波電流條件下，高電流狀態與低電流狀態之間的轉換時間大約為 2μs。1mF 的大輸出電容器存儲了兩種不同電流狀態下 LED 兩端的電壓降，並提供了 MOSFET 調光開關接通時的瞬時電流。對於實現快速 LED 電流轉換來說，採用幾個並聯的低 ESR 電容器是至關緊要的。已調高電流和低電流由連接在 VREF 引腳與 CTRL_L 和CTRL_H 引腳之間的分壓器來設定。VREF 引腳上的 ±2%、2V 基準還用於提供溫度降額電路施加在 CTRL_T 引腳上的基準信號 （見下文中的「LED 電流的熱降額」）。

　　為了減小有可能很大的啟動電流，LT3473 採用了一種可壓制已調電流的獨特軟起動電路，從而在軟起動引腳充電至 1.5V 時提供全驅動。為了最大限度地縮短不同電流水平之間的轉換時間，LT3743 運用了針對每種電流水平的單獨補償，這樣電流控制環路就可以儘可能快地恢復穩態操作。圖 4 示出了從 0A～2A 至 20A 的 LED 電流階躍。

　　寬PWM 佔空比範圍內的高效率

　　在可攜式 DLP 投影機中，功率耗散是一個極其重要的設計參數。與目前市面上銷售的許多並聯型大電流 LED 驅動器不同，LT3743 在一個寬 PWM 佔空比範圍內擁有卓越的效率。通過只把功率輸送至負載，而不是將功率旁路掉或者給輸出電容器充電，常見的傳統 PWM 調光型驅動器中損失的大部分能量可以節省下來。圖 5 示出了當 VIN = 12V、並以 0A 至 20A 電流驅動一個綠光 LED 時，整個佔空比範圍內的效率變化情況。

　　傳統的 PWM 調光

　　LT3743 適應任何傳統的 PWM 調光方法。同類競爭 LED 驅動器所採用的並聯輸出調光會造成能量的浪費，而且在 LED 佔空比低於約 50% 時效率欠佳。由於 LT3743 具有兩種電流調節水平，因此當分路被佔用時已調電流可下降至零。即使在低 LED 佔空比條件下，這也能提供出色的效率。

　　圖 6 示出了一款配置有一個電流受限並聯輸出的 2A LED 驅動器。請注意：CTRL_L 引腳連接至地，PWMGL 引腳用於驅動並聯 MOSFET，而CTRL_SEL 引腳則用於調光。在 CTRL_L 引腳接地的情況下，當 CTRL_SEL 引腳為低電平時，則分路被佔用，而且電感器中的電流被調節於 0A。當 CTRL_SEL 引腳為高電平時，並聯 MOSFET 被關斷，且已調電流由 CTRL_H 引腳上的電壓來確定。圖 7 示出了採用一個 12V 輸入時的電流受限並聯 PWM 調光。

　　

　　圖 6：具電流受限並聯輸出的 6V 至 36V 輸入、2A LED 驅動器

　　除了並聯之外，LT3743 還可容易地通過配置以驅動與 LED 的負極相串聯的調光 MOSFET。當不需要多種電流狀態時，這是優選的 PWM 調光方法。圖8 示出了一款採用轉換負極 PWM 調光的 6V 至 30V、20A LED 驅動器。圖 9 示出了 0A 至 20A 電流階躍和 100:1 調光比條件下的轉換負極 PWM 調光。

　　

　　圖8：採用轉換負極 PWM 調光的 6V 至 30V、20A LED 驅動器

　　LT3743 實現了超快的大電流 LED 上升時間，並提供了準確的電流調節。由於它具備支持多種電流狀態的能力，因此通過實現 LED 彩色的簡易混合而滿足了高性能影院級 DLP 投影機的要求。除了速度以外，通過允許使用一個緊湊型低值電感器，LT3743 的開關電容拓撲結構還縮減了電路板的外形尺寸。其他特點包括開關周期同步、過壓保護、高效率以及輕鬆適應各種應用需求的能力。

　　TOP8 照明AC-DC LED驅動電源電路精析

　　由於LED總光效要求及散熱限制，能效對低功率應用尤其重要;許多情況下，即使是較低功率應用也要求功率因數校正和諧波處理;在空間受限應用中，特別是替代燈泡應用，要求有很高的驅動功率密度;總體電源可靠性對整個燈的壽命非常重要;寬輸入電源電壓範圍應支持高達277 Vac;兼容TRIAC調光等要求。此外，LED通用照明還要符合演進的標準及安全規範，如「能源之星」和IEC要求。

　　根據應用要求（尺寸、能效、功率因數、功率、驅動電流）不同，以交流主電源驅動LED有多種拓撲。安森美半導體提供各種電源方案，可用於各種照明應用。

　　

　　圖1：不同交流主電源供電LED驅動器拓撲結構

　　安森美半導體LED通用照明AC-DC解決方案

　　功率因數校正方案

　　採用安森美半導體的NCP1611或NCP1612的160 W功率因數校正（PFC）升壓方案採用非隔離升壓拓撲，輕載能效高於傳統CrM PFC;無須額外元件，可靠性及安全性高。該方案採用電流控制頻率反走（CCFF）CrM，有升壓或旁路二極體短路保護、引腳開路/短路保護、優化的瞬態響應、軟過壓保護、輸入欠壓檢測、低總諧波失真配置、過熱關閉等特性。這類PFC方案還包括NCP1607、NCP1608、NCP1615和 NCP1654（非隔離升壓）;NCL30000（隔離單級反激、非隔離降壓）;NCL30001（隔離單級反激）;NCL30002（非隔離降壓）;NCL30060（單級反激或降壓）。

　　初級端控制離線方案

　　初級端穩流（PSR）也稱初級端控制。初級端控制離線LED驅動器不使用光耦，具有±1%（典型值）的精密LED穩流精度、寬VCC範圍、高能效準諧振控制、強固的保護特性組合，以及寬工作溫度範圍（-40至+125℃）;支持反激及降壓-升壓拓撲，帶無源PFC輸入的功率因數約0.9;該系列可應用於LED燈泡替代、離線LED驅動器、嵌燈、室內/室外重點照明及任務燈及LED電子控制裝置。

　　

　　圖2：初級端控制離線方案

　　可供選擇的器件有NCL30080A/B、NCL30081A/B、NCL30082A/B和NCL30083A/B（無源PFC控制）;NCL30085A/B、NCL30086A/B、NCL30087A/B和NCL30088A/B（有源PFC控制）。其調光控制包括非調光、3 步/5步調光、模擬/數字、雙向可控矽/後緣觸發調光等。

　　AC-DC開關穩壓器

　　安森美半導體針對隔離反激式和非隔離式轉換器的開關穩壓器包括NCP1010、NCP1011、NCP1012、NCP1014/15、 NCP1027/28、NCP1072/5、NCP1076等。這些器件均為電流模式，峰值電流限制從100 mA至800 mA.這些方案集成了MOS管，適用於隔離和非隔離應用，支持次級PWM調光、模擬調光或雙亮度等級調光，能效高達75-80%.

　　用於高壓LED串的高功率因數升壓方案

　　高壓多結點LED正變得更加常見，因為供應商趨向更好地優化LED以提升系統總光效，並引入更加專用化的LED.這些LED每封裝的正向電壓可達24至 200 V，可以優化用於定點照明、全向照明或線性照明。為了以低元件數量及標準現成電感實現此目標，電路中使用了NCP1075單片高壓開關穩壓器及高精度的 NCP4328A恆流/恆壓控制器。

　　該方案能效高於90%，具有20 ms的快速啟動時間、LED開路保護、可使用現有電感、功率因數高於0.95，以及採用NCP1075時功率能力大於10 W的特性，應用主要是LED燈泡及燈管、低功率光源及燈具、電子控制裝置和LED驅動器。

　　

　　圖3：高壓LED串高功率因數升壓方案

　　AC-DC開關控制器

　　針對隔離和非隔離降壓、降壓/升壓轉換器的開關控制器有固定頻率的NCP1200、NCP1203、NCP1218、NCP1219、 NCP1230、NCP1234/6、NCP1237/8、NCP1250/1/3;還有準諧振的NCP1207A、NCP1308、NCP1337 /38、NCP1377、NCP1379/80和NCP1336.針對非隔離降壓轉換器的開關控制器則有LV5011MD、LV5012MD、 LV5026MC、LV5029MD、NCL30002和NCL30105.此外還有諧振半橋變換器的開關控制器NCP1392/3、NCP1398及開關組合控制器NCL30051和NCL30030.

　　

　　圖4：採用NCL30030的AC-DC開關控制器LED驅動方案

　　TOP9 非隔離離線降壓控制器

　　LV5026MC是一款非隔離離線降壓控制器，支持不同調光控制（TRIAC、模擬及PWM）、可選擇開關頻率（50 kHz或70 kHz）、低噪聲開關系統;具有短路保護、軟啟動和內置TRIAC穩定功能。應用包括壁燈、任務燈、臺階燈和LED燈泡替代。

　　

　　圖6：非隔離離線降壓控制器

　　可調光LED驅動器

　　LV50xx中的LV5026MC、LV5029MD、LV5011MD和LV5012MD都是可調光LED驅動器。以LV5011MD和 LV5012MD為例，兩者開關頻率均為70 kHz，可提升功率因數，具有、外部調節參考電壓、過壓保護、過熱關閉功能。兩者的不同之處在於調光模式，均可用於小型可調光LED燈泡、離線LED驅動器和嵌燈。

　　

　　圖7：可調光LED驅動器

　　非隔離線性LED驅動器拓撲的恆流穩流器（CCR）

　　一種是低電流LED串驅動器CCR NSIC2020 （120 V， 20 mA），其交流電壓上升時電流仍保持恆定，達到LED閾值電壓後導通無延遲，低電壓時LED亮度高，可防止LED受電壓浪湧影響。另一種用於低成本T5 LED燈管，採用CCR NSIC2050 （120 V， 50 mA）LED驅動器，可直接交流驅動LED，無漏電流，穩流可保護LED.

　　

　　圖8：低成本T5 LED燈管電路

　　用於街道及區域照明的LED電源

　　替代高強度氣體放電燈（HID）或高壓鈉燈（HPS），要使用大LED陣列。根據終端產品不同，LED可配置為不同結構。一種方法是將交流輸入電壓轉換為直流穩壓輸出，並為多個並聯LED燈條供電。另一種方法是提供穩流恆流來直接驅動LED，省去燈條中內置的線性或DC-DC轉換段。

　　

　　圖9a：方法1 -- 將交流輸入電壓轉換為直流穩壓輸出

　　第二種方法旨在配合「能源之星」1.1版光源規範，其特點包括：通用輸入範圍90 - 265 Vac（更改元件可支持305 Vac）;最大輸出功率60 W（更改元件NCL30051最高支持250 W功率）;功率因數PF大於0.9（50-100%負載，帶調光）;諧波含量遵從IEC61000-3-2 class C標準;Iout = 1000 mA/Vf = 35至45 V條件下，能效大於90%;恆流輸出電流範圍0.7 - 1.5 A;輸出電壓範圍35 - 50 V;輸出開路及短路保護、過溫保護、過流保護-自動恢復、過壓保護-輸入（OVP大電壓）等保護特性。

　　

　　圖9b：方法2 --提供穩流恆流來直接驅動LED

　　安森美半導體利用在電源管理、高能效電源及封裝方面的核心專長及優勢，為LED照明應用，特別是通用照明提供了符合各種規範要求控制和驅動器件。這些方案採用獨特的LED驅動電源架構、模擬及調光技術、反激轉換器及非隔離拓撲，適用於各種通用照明應用，為這些設備的實現提供了豐富的選擇。

　　TOP10 I2C接口的LED驅動電路設計與應用攻略

　　目前，通過晶片本身能驅動的每個LED電流範圍為25mA到100mA之間。當然，對於一些大電流的應用場合，我們只需用外加場效應管的方式來實現。LED無疑是當前最熱的一個應用，無論是手持設備、遊戲機、霓虹燈、廣告牌等等，眩目的色彩及高質的光亮，總能第一時間吸引人的眼球。在當前眾多的 LED控制器面前，如何選擇一款功能豐富且性價比又高的產品來迎合自己的設計，無疑是擺在每個設計師面前的問題。

　　最簡單的 LED驅動，我們可以用普通的I/O來實現。但I/O控制只能實現LED 的ON與OFF，無法用來進行混光、閃爍等功能，而且每個LED都需要佔用一個單獨的I/O資源，無疑性價比很低。我們也可以用專用的大電流LED控制器來設計，但昂貴的成本首先會成為問題，而且設計複雜，程度也會跟著各種幹擾的出現相應地提高。基於這些，恩智浦（NXP）推出一系列使用I2C接口的 LED驅動器，它可以通過I2C接口的兩根線，去同時控制從4個到24個不等LED的ON/OFF、閃爍及RGB混光。在混光方案裡，每個LED都是由一個獨立的8bit/256階PWM來驅動。這種基於I2C的LED控制方式，增加了設計的方便性與靈活性，而且也會減少在軟硬體方面的投入，使披著神秘面紗的LED對我們來講頓時顯得簡單和精彩。下面，我們將會以恩智浦LED驅動器PCA9633為例，通過幾個簡單的應用來全面闡述這種LED驅動器的優勢所在。

　　從圖1我們可以看到，每一路LED都是由一個單獨的8bit/256階的PWM來控制，且由於PWM足夠快，使其理論上可以通過它所驅動的四個LED混出任意顏色的光。除了每一路單獨的PWM，PCA9633還提供了一個Group PWM，通過它我們可以用來控制所調混色光的亮度及頻率，彌補了只調單個PWM不能實現的一些功能。那麼PCA9633究竟如何來實現調光呢？秘密還是在 PWM上面。如果不使用PWM，那麼它只能完成開和關的動作;低速的PWM只能實現LED閃爍，並不足以達到混色的目的;高速的PWM就可以實現RGB混色;如果PWM速度可控，那麼就可以實現閃爍和混色的雙重功能。而且通過可控的8bit/256階PWM，加大了色階提升了色彩的層次感。見下圖2所示。

　　

　　知道了混色的原理，那麼一個具體的色彩又是如何產生的呢？我們知道人眼對色彩的感知是各種色彩亮度均值的疊加，我們可以通過控制 PCA9633每個PWM的佔空比，去控制所驅動LED的亮度。根據三基色原理，如果我們驅動的是RGB（或者RGBA）LED，那麼通過調節這三個 LED的不同光亮，就可以得到所要的色彩。圖3是PCA9633控制RGB三個LED來調粉色光的例子。

　　

　　通過以上的描述，我們基本知道了PCA9633的內部結構和驅動原理。下面我們將會以PCA9633固定I2C地址的幾個應用，來進一步理解這種LED控制器的優勢所在。

　　第一個應用，我們將用PCA9633來控制亮度條。我們知道一般像亮度條這樣的應用，往往需要用到大量LED串聯來進行。如果用單個接口去控制每個 LED，會使成本和軟體複雜度大大增加。而通過I2C，在硬體上只需要兩條控制線，在軟體上只需發一條字節命令，就可以輕鬆進行操控。除此之外，由於 I2C器件地址的唯一性，可以按所驅動LED的數量使用幾個PCA9633來進行控制。如果實際應用中PCA9633本身的驅動電流不夠，只需在外圍加一個FET就可以輕鬆解決。另外，PCA9633獨有的Group PWM使得控制整個亮度條的光強和閃爍變的得心應手。下面是其原理圖（見圖4），其中I2C master由系統提供，可以是MCU，也可以是邏輯電路。

　　

　　圖4中左半部為I2C的master，不作細述。右邊最上為LED限流電阻，通常LED的前向電壓為3V左右，根據不同的顏色和製造工藝會有一些差別。我們可以通過所需LED電流去計算這個限流電阻的值：R=（Vsupply-Vfsum）/If.如果所需的LED電流大於25mA，那麼圖中所加的 FET可以輕鬆解決這一問題。當我們外加了FET以後，只需把PCA9633的相應寄存器的OUTDRV設為高就可以了，以區別於它的默認值。現在我們可以看到用PCA9633去控制如此多的LED，原理圖相當簡潔，同樣在軟體設置寄存器上也同樣方便。PCA9633提供了簡易且完整的內部寄存器，例如 LED輸出結構設置、節電模式設置、晶片使能模式設置、LED的輸出狀態設置，以及每個PWM和Group PWM的控制寄存器設置等。除此之外，PCA9633還提供了一個寄存器設置遞增位，也就是說如果我們設置了這一位，那麼我們可以通過一個指令序列來完成內部所有寄存器的順序配置，這在一些特定的應用中是非常有用的，能最大程度節省軟體和系統資源。下面，我們將通過另外一個例子來說明內部寄存器的設置。

　　第二個例子是我們用PCA9633來完成呼吸燈的功能。雖然PCA9633內部不帶呼吸燈模塊，但我們可以通過一些簡單的寄存器設置來實現這個功能，這樣相比於專用的呼吸燈晶片在成本上無疑有很大的優勢。為了便於說明，我們只用PCA9633來控制一個LED的呼吸動作，原理圖很簡單，在此略去，通過控制這一個LED的漸亮與漸暗過程以達到呼吸的目的。要實現這個功能，PCA9633的獨立PWM將是最主要的因素。如前我們已經提到每個 LED都是由一個8bit/256階PWM來控制，那麼也就是說，每個燈有256段亮暗色階可調，可以完美實現呼吸功能。具體，我們通過控制PWM的佔空比來完成。如果我們的LED是由PCA9633的PWM0來控制，那麼PWM0的佔空比將決定這個LED的亮度：Bright（duty cycle）=PWM0［7:0］/256.到此，一個完整的呼吸過程就完成了，用幾個簡單的寄存器設置，就完成了看起來似乎只有用複雜系統或專用晶片才能做的事情。從以上兩個例子，我們可以看到用恩智浦的I2C LED驅動器，不論是硬體上還是軟體上都是非常簡單和易操作的，而且用此類器件所能實現的功能，絲毫不比一些系統和專有晶片遜色。

　　總之，I2C LED驅動器提供了高性價比的LED設計方案，相比於用GPIO或專用LED驅動器，不僅節省了系統資源，也使設計的成本和複雜度大大減少，並可以有效提高設計的可靠性和驅動光的均勻性。此外，採用此類LED驅動器，可以很有效地幫助我們減少設計周期並提升設計靈活性。

　　TOP11 LED驅動電路優化設計方案詳解

　　主電路部分，在市電之後緊接著接了一個濾波器，它的作用是濾除電源中的高次諧波以及電源中的浪湧，使得控制電路受電源的幹擾小。輸入整流部分採用一體式的整流橋，通過二極體的單向導通的特性將電平在零點上下浮動的交流電轉換為單向的脈動的直流電，再在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。經過 MIP553和BUCK電路的調節和控制後輸出供LED使用的電壓。

　　輸入電路的設計

　　為了延長LED驅動電源的使用壽命，使之與LED相匹配，必須要去除電路中的電解電容。電路的設計指標為：輸入交流電壓Vm：198— 264VAC/50Hz;輸出電壓Vo：27VDC;輸出電流Io：0.35A。輸入電路包括噪聲濾波裝置、安全保險裝置以及輸入整流裝置，如圖2所示。

　　

　　噪聲濾波裝置主要由電容C1/C2/C3和電感L1組成，其作用是在小於1MHz的頻段內，能夠減少電磁幹擾（EMI）。此裝置也可以連結在AC交流之後，整流裝置之前，其濾波效果是一樣的。安全保險裝置由保險絲和ZNR1組成，保險絲主要防止有危害電路的尖峰電流產生的時候迅速切斷電路以保護負載;ZNR1是浪湧吸收器，對於來自輸入端的靜電和浪湧進行吸收，以此來保護後面的電路。輸入整流裝置，是將交流電轉換成直流電，輸入整流橋的選擇。

　　輸出電路的設計

　　輸出電路由基本的BUCK電路和一個穩壓二極體DD1組成。如圖3所示。BUCK變換器及其優勢：

　　Buck變換器又稱為降壓變換器、串聯開關穩壓器、三端開關型降壓穩壓器，是一種輸出電壓等於或小於輸入電壓的單管非隔離DC/DC變換器。

　　

　　工作中的輸入電流is，在開關閉合時，is》0;在開關打開時，is=0，故is是脈動的，但輸出電流io在電感、二極體、電容的作用下卻是連續的、平穩的。特別適合為LED提供工作電流。FRD1的選擇標準：額定電流大於2倍的輸出電流，額定電壓大於輸入電壓，其反向恢復時間也要在100ns以內，考慮裕量，FRD1的參數為：15A，600V，trr=50ns。用類似的方法選擇T1和Cout，那麼其參數分別為：T1：680μH; Cout：1μF，50V。

　　穩壓二極體DD1

　　在低輸入電壓的某範圍內，若沒有像DD1的這種反向裝置，那麼在開關關斷的瞬間將會有反向電流流過IPD，而IPD是不允許有這種電流的，因為這種反向電流將會導致IPD的損壞。

　　保護電路

　　MIP553內置過壓、過流、過熱、LED短路的保護電路，但並無LED開路時保護電路的設計。LED開路時的保護電路的思想主要有穩壓二極體保護、三極體保護、偏壓線圈保護等，考慮到成本和結構，文中選擇具有穩壓二極體的保護電路。其電路圖如圖3所示。當LED開路時，輸出電壓上升，若輸出電路有穩壓二極體的保護電路，那麼穩壓二極體將LED的電壓嵌位在二極體的壓降之下，這樣就能防止輸出電容的毀壞。

　　控制電路的設計

　　控制電路由MIP553及其外圍電路組成，如圖4所示。MIP553晶片實現寬電壓85～277V/AC輸入，內置MOS，結構簡單、穩定，可不需要電解電容，支持隔離或非隔離方案，單電源輸出功率6～30W，恆定電流輸出《1A。電源具有過壓、過流、過熱保護功能，安全穩定性高，體積小，發熱量低，電源效率≥80%，功率因數 ≥95%，THD《20%。

　　

　　MIP553的漏極電流由引腳CL和EX控制，因此連接這兩個引腳的電阻RCL、REX的設置將直接影響漏極電流的大小。最大漏極電流可由REX來確定，考慮到這個最大漏極電流要流經LED，因此設置參考值時應該注意。

　　REX=（VDD（ON）-VEXH）/IEX=（6.5-2.8）/103=36kΩ （3）

　　其中，假設輸入電壓100V，輸出電壓28V，電流：400mA，最大漏極電流設為1.0A。

　　CVDD、CEX、CCL的作用是穩定MIP553的運行、抑制外部噪聲。因此，其值要選擇得當。CVDD，穩定VDD的電壓、抑制LED 的閃爍，特性不受溫度影響、不產生額外的噪聲，參考標準值為1～10μF之間;CEX，抑制外部噪聲進入EX引腳，其參考標準值在470～1000pF之間;CCL，抑制外部噪聲進入CL引腳，如果其值太大的話，那麼pF值將會受到嚴重的影響，因此其值應小於1000pF。

　　LED電源的挑戰

　　LED作為新型的電光源，在製作大型發光立體字和發光標識中有著明顯的優勢，其控制電壓低，成本低，可靠性高。雖然LED產品在國內外市場有著愈演愈烈的發展趨勢，但是LED照明畢竟是新興的產業，目前還沒有廣泛的普及，因此LED驅動電源不可避免的在各方面存在著挑戰：首先，由於LED的正向電壓會隨著電流和溫度而變化，其「色點」也會隨著電流和溫度而漂移，為了保證LED的正常工作，就要求其驅動器無論在輸入條件和正向電壓如何變化的情況下都要限制電流。其次，如果需要LED調光，通常採用的是脈寬調製調光技術，典型的PWM頻率是1～3kHz。最後，LED驅動電路的功率處理能力必須充足，且功能強固，可以承受多種故障條件，易於實現。

　　LED是一種節能、高效、環保的綠色照明，對它的驅動電路研究非常重要。文中介紹了利用MIP553進行設計的LED驅動電源，並通過仿真證明了其輸出電流的穩定性，有很好的應用前景。