大功率LED恆流驅動方案及實例

2021-01-17 電子產品世界

本文詳細闡述了利用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，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。
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。而大功率LED燈會在2010年上海世博會上大量應用，因此電子和照明行業都非常關注LED照明新技術的發展應用。

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。

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

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


相關焦點

  • 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
  • 基於PT4115的大功率LED恆流驅動的設計方案
    但是，LED 的高效節能的優點要想保證的話，其驅動具有尤為重要的作用。本文對大功率LED 和小功率LED 適合的驅動進行了比較研究。並且提出一種基於PT4115 的高效率的大功率LED 恆流驅動解決方案。該種驅動電路簡單、高效、成本低，適合當今太陽能產品的市場化發展。
  • LED可控恆流源驅動系統設計方案
    供電電源的穩定性主要取決於LED驅動電路設計，恆流源驅動是最佳的LED驅動方式，採用恆流源驅動，LED上流過的電流將不受電壓、環境溫度變化，以及LED參數離散性的影響，從而能保持電流恆定，充分發揮LED的各種優良特性。目前廣泛採用的恆流源有兩種形式：一種是線性電源改進型恆流源，另一種是開關電源式恆流源。
  • led恆流驅動電源維修
    打開APP led恆流驅動電源維修 姚遠香 發表於 2019-04-10 11:42:33 　　led恆流驅動電源維修 　　一看： 　　是指對故障的板進行直觀的肉眼判斷，看表面是否有錫珠，錫渣或其他導體造成的短路，也要看是否有器件焊接不良，再看是否有澆毀或損毀的器件。
  • 詳解大功率藍光LED光源驅動電路設計方案
    本文主要是基於大功率藍光LED水下成像系統的研究。大功率藍光LED（≥50 W）光源驅動電路是基於大功率藍光LED的水下成像系統的研究與分析的重要組成部分。這就決定了LED必須工作在快脈衝驅動方式下，目前市場上的驅動電路一般均丁作在慢脈衝驅動模式（μs量級），遠不能滿足我們的要求。因此，我們必須自己解決快脈衝驅動電路這一難題，尤其是實現以ns量級的大功率快脈衝來驅動大功率的LED。基於這種實驗實際需求，我們研究開發了此種快脈衝驅動電路。
  • 非隔離單電感的5-40W內置MOS的LED恆流驅動方案
    LED開關恆流源在反覆開關機下發生失效經常是因為開機瞬間是晶片承受衝擊電應力最大時刻之一，如不採取合理措施容易發生IC擊穿失效。　　●PN8317 170V240mA/40W LED驅動方案　　針對室內照明市場急需24~40日光燈/吸頂燈方案，PN8317可以在PN8316方案上通過加大輸入電解電容C1(400V15uF)，更改CS檢測電阻R1(2.2R)，FB電阻檢測電阻R3(33K)，輸出電容C3(250V4.7uF)，Buck電感T1(EE-16)即可將方案設計為170V240mA 41W的外驅方案
  • 解讀:大功率LED驅動的溫度補償技術(圖)
    解讀：大功率LED驅動的溫度補償技術(圖) 文章來源自：照明工程師社區 2009-11-08 07:10:00
  • LCD面板的LED背光碟機動方案設計
    以及如何獲得大功率與可靠性？EUTECH重點關注LED背光市場（圖1），產品線提供從3.5寸智慧型手機到46寸LCD TV範圍內的各尺寸LCD面板的LED背光碟機動方案。LED驅動技術與AC-DC電源技術相結合，提供高效、可靠的整體解決方案，是未來LED驅動技術發展趨勢。
  • 無變壓器AC-DC恆流LED驅動電路---ZD832 LED constant
    利用工頻電源供電的Ac-DC恆流LED驅動電路．無論是採用何種拓樸．一般都需要使用橋式整流器、變壓器或電感器。Zywyn公司推出一種新型AC-DC恆流LED驅動IC．利用特有的線性控制結構體系．集成了全波橋式整流器、線性穩壓器、控制電路和過電壓及過溫度保護電路。無需外加整流器、變壓器和電感器。
  • 一種基於LED路燈的PFC開關電源驅動設計方案
    >LED的電流決定，電流過強會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發光強度，因此LED的驅動需要提供恆流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時達到理想的發光強度。用市電驅動大功率LED需要解決降壓、隔離、PFC(功率因素校正)和恆流問題，還需有比較高的轉換效率，有較小的體積，能長時間工作，易散熱，低成本，抗電磁幹擾，和過溫、過流、短路、開路保護等。本方案設計的PFC開關電源性能良好、可靠、經濟實惠且效率高，在LED路燈使用過程中取得滿意的效果。
  • 小尺寸非隔離恆流18WLED日光燈驅動方案
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175037.htm本文介紹的這種極簡線路18W LED日光燈驅動方案，尺寸小於一枚一元硬幣，成本是目前市場主流方案的一半左右，是順應這種「苛刻」要求而生的。簡單即完美的哲學在這種方案裡發揮得淋漓盡致。
  • 恆流二極體的性能及其子LED驅動中的應用
    很多國外的大公司都開發出這種產品以供驅動LED，這是因為LED必須採用恆流源作為驅動的原因。下面我們將要深入討論一下恆流二極體的性能和應用。　　五．恆流二極體作為LED的驅動源　　我們知道LED必須採用恆流源來驅動，否則由於它的負溫度係數，而會使電流急劇上升導致結溫升高，壽命縮短。而恆流二極體的恆流作用恰恰可以用來驅動LED。最簡單的方法就是直接和LED串聯。
  • 高壓線性恆流晶片LK2085應用實例
    打開APP 高壓線性恆流晶片LK2085應用實例 發表於 2018-04-23 13:26:00 在中國乃至全球綠色低碳經濟浪潮的推動下
  • LED恆流IC晶片大盤點
    >MBI5016 16位最大90mA LED屏幕、護欄燈管恆流驅動ICMBI5024 面對低端客戶16位LED屏幕、護欄燈管恆流驅動ICMBI5025 16位最大45mALED屏幕、護欄燈管恆流驅動IC
  • YX6625 SOP-8 降壓大功率恆流五功能LED驅動 五功能 外置MOS
    SOT23 升壓 兩節乾電池（鎳氫電池）輸入；適用於1W LED驅動；2.8Ω導通電阻11 YX8128 SOT89-3 升壓 兩節乾電池（鎳氫電池）輸入；適用於2W LED驅動；1.6Ω導通電阻12
  • LED區域照明驅動電源及聯網智能化LED街燈控制系統
    要驅動這些大陣列的LED，設計人員可以選擇不同的方案。另外，不同LED串的亮度需要保持一致，如果某個LED發生開路故障，可能造成整串LED關閉的後果，故需要顧及為LED串提供保護的方案。此外，要構建聯網的智能化LED街燈控制系統，也需要採用適合的通信及線路驅動方案。下文將探討這些問題及相應的安森美半導體解決方案。
  • 小尺寸非隔離恆流18W LED日光燈驅動方案
    2.2 DU8618集成開關簡化線路實現全閉環18W LED日光燈恆流控制本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175517.htm　　DU8618是基於TRUEC2技術，專門用於18W LED非隔離日光燈驅動的晶片。
  • 發光二極體LED的兩種驅動方案解析
    打開APP 發光二極體LED的兩種驅動方案解析 led網 發表於 2019-10-28 17:01:52 由於一組LED的電壓和供電電壓都可能發生改變，因而必須使用專用的LED驅動保證電流的精準。以下兩種方案使用廣泛：線性恆流LED驅動器和步進降壓開關式轉換器，它們均有各自的優勢和劣勢。 線性驅動是簡單的方案，所需元件極少且基本無噪音。但是，其耗散的熱量和供電電壓與LED正向電壓之差成正比。
  • 安森美用於LED路燈的高能效驅動電源方案
    為了滿足大功率LED路燈電源設計在功率因數以及諧波含量限制方面的要求，安森美半導體提供三種工作模式的PFC方案選擇：連續導電模式(CCM)，如NCP1654;臨界導電模式(CrM)，如NCP1608;頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)，如NCP1605。
  • 15W LED日光燈恆流驅動方案設計(一)
    一、總體設計本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/174864.htmFT870B是一款PWM控制型的高效的恆流型LED驅動IC,能在15~500V的輸入電壓下正常工作，固定25K的工作頻率，最大能驅動1A的輸出電流，恆流精度達到±5%,並且支持PWM調光功能。