2012-03-06 11:44:32
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。
雖然大功率led現在還不能大規模取代傳統的白熾燈，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。
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，本文首先介紹大功率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恆流驅動電路的取樣電阻提高大功率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。
驅動晶元的選擇
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效能的可靠性。目前，美國國家半導體公司的led驅動方案主要定位在中高階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，所以驅動晶元的選擇也要從這兩方面考慮。
圖1：利用dc/dc穩壓器fb反饋端實現從恆壓驅動(左圖)到恆流驅動(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。針對替代鹵素燈的設計，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，恰好適合鹵素燈燈口直徑小的特點。
取代鹵素燈之後，led燈一般做成1w或3w。led燈與鹵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鹵素燈的亮度，因此比較省電；(2) led燈的壽命比鹵素燈長。
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)主要鎖定舞台燈和路燈市場。
圖2：在fb反饋端和rfb之間放置乙個運算放大器以降低功耗。
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、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開啟局面的重要原因。
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。已經使用者採用一顆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，使輸出電壓維持在乙個固定的電平：
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的變化有乙個感知的範圍，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，取樣電阻的功耗將分別小於20mw、400mw和800mw。對於1w的led來說，取樣電阻的功耗分別佔到總電源消耗的2%、40%和80%。
因此，取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值。
圖4：從取樣電阻直接獲取反饋電壓的設計。
由於直接將rfb連線fb端會造成rfb的功耗過大，所以在fb端和rfb之間放置乙個運算放大器，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壓器有lm2736和lm2734。
lm2734是1a降壓型穩壓器。基於lm2734的恆流驅動電路(圖3)利用lm321運算放大器獲取取樣電阻rset上的電壓，結合其它電阻和電容就可以構成乙個完整、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取樣電阻獲取反饋電壓，如圖4所示。
圖3中取樣電阻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。圖3和圖4的詳細設計檔案請向國家半導體當地授權分銷商索取。
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%。由於取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的恆流引數。目前led晶元的製造商很多，國內外led的差異主要在於相同電引數的情況下，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引數。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的工作溫度也相應公升高了。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；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晶元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、醫療裝置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)，可以為使用者提供全面的led驅動器解決方案。
led照明系統需要借助於恆流供電，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。電感型公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晶元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白熾燈，因而人們更為關注大功率led在特種照明中的應用。
LED驅動電路詳細介紹
內容摘要 提出了幾種有代表性的實用led驅動電路方案，並對每一種驅動電路的工作原理，優缺點及適用範圍進行了較詳盡的論述。對led使用者合理選用驅動電路有一定的指導作用。並附電壓係數計算表 led恆流驅動器型譜圖 恆流驅動器效能對比表 恆流驅動器接線圖等圖表4張。一 概述 led是一種節能 環保 小尺...
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