大功率LED恆流驅動方案選擇及設計

大功率LED恆流驅動方案選擇及設計

佚名 發表於 2015-03-26 13:51:03

　　雖然大功率LED現在還不能大規模取代傳統的照明燈具，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恆流驅動器的設計技術，對於開拓大功率LED的新應用至關重要。LED按照功率和發光亮度可以劃分為大功率LED、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。已大批量應用的有1W和3W LED，而5W、8W和10W LED的應用相對較少。

　　恆流驅動和提高LED的光學效率是LED應用設計的兩個關鍵問題，本文介紹大功率LED的應用及其恆流驅動方案的選擇指南，然後以美國國家半導體 （NS）的產品為例，重點討論如何巧妙應用LED恆流驅動電路的採樣電阻提高大功率LED的效率，並給出大功率LED驅動器設計與散熱設計的注意事項。

　　驅動晶片的選擇

　　LED驅動只佔LED照明系統成本的很小部分，但它關係到整個系統性能的可靠性。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，由於室內LED燈所應用的電源環境有AC/DC和DC/DC轉換器兩種方式，所以驅動晶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滷素燈的電源，現有的LED可以在保留現有交流12V的條件下進行設計。針對替代滷素燈的設計，美國國家半導體LM2734的主要優勢是體積小、可靠性高、輸出電流高達1A，恰好適合滷素燈燈口直徑小的特點。

　　取代滷素燈之後，LED燈一般做成1W或3W。LED燈與滷素燈相比有兩大優勢：（1）光源比較集中，1W照明所獲得的亮度等同於十幾瓦滷素燈的亮度，因此比較省電;（2） LED燈的壽命比滷素燈長。

　　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，由於LED燈的壽命較長，所以還是具有非常大的成本優勢。220V AC/DC轉換器（例如LM5021）主要鎖定舞檯燈和路燈市場。

　　2. DC/DC轉換器

　　目前，LED手電筒佔據了DC/DC轉換器的絕大部分需求量。手電筒採用的LED功率基本上是1W，供電方式包括鋰電池和鎳鋅電池、鹼性電池等。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燈體積小的優勢。此外，由於3W LED燈的電流高達700mA，一次充電後的電池使用時間縮短。儘管如此，對於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，它屬於特種照明行業，需要專業的認證標準，中國對LED在礦燈領域的應用一直都很重視。目前，LED設計行業存在對特種行業的需求認識不足的問題，設計中常採用一些不切實際的、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殊使用環境的各種需求，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。

　　對於礦燈LED應用，美國國家半導體提供了豐富的DC/DC穩壓器產品，包括LM3485、LM3478和LM5010。已經用戶採用一顆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。

　　總而言之，LED燈在燈飾和特種照明行業有著廣泛的發展前景，國家半導體為此提供完整的新型LED驅動解決方案。

　　圖3：基於LM2734的恆流驅動電路

　　高效的恆流驅動電路

　　恆壓供電的基本電路（圖1左）採用反饋電阻RFB1和RFB2，當負載電流發生變化時，VFB也隨之變化，DC/DC穩壓器通過感知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恆定，DC/DC穩壓器感知VFB，然後調整LED正端電壓，使流經LED的電流保持恆定。這就是利用DC/DC穩壓器FB反饋端實現恆壓到恆流轉換的原理。

　　一般來說，DC/DC穩壓器對VFB的變化有一個感知的範圍，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穩壓器容許的範圍內。

　　以VFB等於1.25V為例，假設IF分別為15mA、350mA和700mA，採樣電阻的功耗將分別小於20mW、400mW和800mW。對於 1W的LED來說，採樣電阻的功耗分別佔到總電源消耗的2%、40%和80%。因此，採樣電阻的設計對提高LED的功效至關重要，它應該選取儘可能小的數值。

　　由於直接將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採集到的電壓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等於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獲得恆流供電的同時，將RFB的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓儘可能大，流經的電流也儘可能大。國家半導體按照這個原理工作的穩壓器有LM2736和LM2734。

　　圖4：從採樣電阻直接獲取反饋電壓的設計

　　LM2734是1A降壓型穩壓器。基於LM2734的恆流驅動電路（圖3）利用LM321運算放大器獲取採樣電阻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恆流驅動電路。在實際使用中，有些LED恆流驅動電路可以直接從採樣電阻獲取反饋電壓，如圖4所示。

　　圖3中採樣電阻Rset決定了恆流驅動電路的設計，而且對整個系統的效率有重要影響，因此仔細設計Rset對節省能源至關重要。

　　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%，那麼採用精度為2%的電阻就足夠了。LED驅動電流的典型波動範圍是正負 10%。由於採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方案適用於多個大功率LED的恆流驅動，而基於LM5021的恆流驅動設計方案則針對220V AC/DC轉換器的應用。

　　恆流驅動與散熱的考慮

　　就電子電路系統設計而言，工程師在設計LED恆流驅動電路時首先要了解LED的恆流參數。目前LED晶片的製造商很多，國內外LED的差異主要在於相同電參數的情況下，流明數可能不同，因此設計工程師要清楚地認識到LED功率並不是決定發光效率的唯一參數。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光學效率還取決於材料和製作工藝等諸多環節。

　　有些設計工程師為提高發光效率而採取加大驅動電流的辦法，例如，對於同一顆1W LED，加大驅動電流後，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，這是設計恆流驅動過程中需要注意的重要問題。

　　此外，LED照明系統的光學效率不僅僅取決於LED恆流驅動方案，還與整個系統的散熱設計密切相關。為縮小體積，某些LED恆流驅動系統將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緊貼在一起。建議採取下列散熱措施：LED燈採用鋁基板散熱;功率器件均勻排布;儘可能避免將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晶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）、亮度可調的方向發展。

　　由於大功率LED在壽命上具有很大優勢（表1），所以發展前景非常廣闊，其中最被看好的照明應用是汽車、醫療設備和儀器儀表及其它特種照明環境。但這些應用對LED驅動系統設計也提出了新的要求，包括：輸入電壓範圍一般要求為6V到24V;具有衝擊負載保護、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照明系統需要藉助於恆流供電，目前主流的恆流驅動設計方案是利用線性或開關型DC/DC穩壓器結合特定的反饋電路為LED提供恆流供電，根據 DC/DC穩壓器外圍電路設計的差異，又可以分為電感型LED驅動器和開關電容型LED驅動器。電感型升壓驅動器方案其優點是驅動電流較高，LED的端電壓較低、功耗較低、效率保持不變，特別適用於驅動多隻LED的應用。在大功率LED驅動器設計中，主要採用開關電容型LED驅動方案，其優點是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。

　　表2：美國國家半導體的LED驅動器解決方案一覽表

　　本文小結

　　大功率LED照明技術有著廣闊的發展前景，因而受到普遍的關注和投資者的追捧。現階段，由於LED晶片設計和製造技術及材料等諸多因素的限制，它暫時還不能完全取代傳統的照明燈具，因而人們更為關注大功率LED在特種照明中的應用。

　　本文首先介紹了特種照明的應用環境，然後，詳細闡述了利用DC/DC穩壓器實現恆壓轉恆流設計的基本原理和實際案例，並說明了大功率LED驅動器設計與散熱部分設計應該注意的事項，最後指出了大功率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，它有助於從事LED 照明行業的電子設計工程師全面掌握最新的LED驅動器系統設計技術。

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