照明用LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案的探

1、照明用LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案的探1引言led具有環(huán)保、節(jié)能、效率高、壽命長(zhǎng)、安全可靠的優(yōu)勢(shì)，在如今“低碳”生活中，它可發(fā)揮了不小 的作用，照明現(xiàn)在基本都普及了 LED為此，必須了解 LED的使用條件、工作原理、驅(qū)動(dòng)方法和典型應(yīng)用， 才能讓LED照明的應(yīng)用最大化。2 LED工作原理要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要與VF、IF有關(guān)。LED的伏安特性見(jiàn)圖1，其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電 流。當(dāng)正向電壓超過(guò)閾值（即導(dǎo)通電壓，如圖約1.7V）時(shí)，可近似認(rèn)為IF與VF成正比。由圖可知，LED的最高IF可達(dá)1A，而VF通常為2 V4V。!f/mAVf/V圖1LED的VF與IF的

2、關(guān)系LED的正向壓降變化范圍比較大（可達(dá) 起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變1V以上），而由上圖中的 VF-IF曲線(xiàn)可知，VF的微小變化會(huì)引 化。所以，通常LED的發(fā)光特性都用電流的函數(shù)來(lái)描述，而不是電壓的函數(shù)。但一般的整流電路的輸岀電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)也會(huì)變化，由此可知，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響 LED的特性。因此，LED驅(qū)動(dòng)通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。3 LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)由LED的工作原理知道，要使 LED保持最佳的亮度狀態(tài)，需要恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)的任務(wù)既要保持恒 流特性，還要保持較低的功耗。為了滿(mǎn)足以上要求，通常采用的控制電流的方法有：通過(guò)調(diào)節(jié)限流電阻的 大小實(shí)現(xiàn)控

3、制電流；通過(guò)調(diào)節(jié)限流電阻上的基準(zhǔn)電壓來(lái)調(diào)節(jié)電流；PW碉制實(shí)現(xiàn)電流控制。LED的驅(qū)動(dòng)技術(shù)與開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的技術(shù)十分類(lèi)似，LED驅(qū)動(dòng)電路是一種電源轉(zhuǎn)換電路，但輸岀的是恒定電流而非恒定電壓。無(wú)論在任何情況下，都要輸岀恒定而平均的電流，紋波電流要控制在一定的范圍內(nèi)。限流法如圖2所示，這是傳統(tǒng)的電路。電網(wǎng)電壓通過(guò)降壓、整流、濾波后，通過(guò)電阻限流使LED穩(wěn)定工作。這種電路的致命缺點(diǎn)是：電阻 R上的功耗直接影響了 系統(tǒng)的效率，再加上變壓器損耗，系統(tǒng)效率約50%。當(dāng)電源電壓在土 10%的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，流過(guò) LED的電流變化將25% LED上的功率變化超過(guò)30%。電阻限 流的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)電磁干擾；

4、但是電流會(huì)隨著VF的變化而改變亮度，效率很低，散熱難。圖2 限流法穩(wěn)壓法圖3是在圖2的基礎(chǔ)上加了一個(gè)集成穩(wěn)壓元件MC7809使輸出端的電壓基本穩(wěn)定在 9V,限流電阻R可用得很小，不會(huì) 造成LED的電壓不穩(wěn)。但是，此電路效率還是低。因?yàn)镸C7809和R1上的壓降仍占很大比例，其效率約為40%左右。這就稱(chēng)不上是節(jié)能照明產(chǎn)品。為了達(dá) 到既能使LED穩(wěn)定工作，又能保持高的效 率，應(yīng)采用低功耗的限流元件和電路來(lái)使系統(tǒng)效率提高。線(xiàn)形穩(wěn)壓法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外部元件少、效 率中等、成本較低。R1鍬-pgLED1圖3 穩(wěn)壓法 PWMfePWM脈寬調(diào)制，即用脈寬調(diào)制的方法，改變LED驅(qū)動(dòng)電流的脈沖占空比來(lái)控制光

5、的亮度。是利用簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開(kāi) 關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù)。使用者只需提供寬、窄不同的數(shù)字脈沖，即可實(shí)現(xiàn)改變輸 岀電流，從而調(diào)節(jié) 白光LED的亮度。此驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是，通過(guò)一個(gè)電感器將能量傳遞給負(fù)載，通常是用一個(gè)PWM控制信號(hào)，對(duì)MOSFE晶體管觸發(fā)導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)改變PWM勺占空比和電感器的充放電時(shí) 間，對(duì)輸入電壓和 輸岀電壓的比率進(jìn)行調(diào)節(jié)。這類(lèi)電路常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)包括降壓、升壓、降壓-升壓等類(lèi)型。優(yōu)點(diǎn)是高效、穩(wěn)定，但容易產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲，成本高，設(shè)計(jì)復(fù)雜。圖 4 PWM法圖4的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管 VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)， 采用簡(jiǎn)單的N

6、PN三極管驅(qū)動(dòng)放大電路， 以改 善MOST的導(dǎo)通過(guò)程，減少驅(qū)動(dòng)電源的功率。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路直接 驅(qū)動(dòng)MOST時(shí)，會(huì)引起被驅(qū)動(dòng)MOST的快速開(kāi)通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)動(dòng) MOST漏源極間電壓的振蕩。 一則引起射頻干 擾，二則有可能造成 MOST遭受過(guò)高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問(wèn)題，需在被驅(qū)動(dòng) MOST的柵極與驅(qū)動(dòng)電路的輸出之間串聯(lián)一只無(wú)感電阻。當(dāng)PWM波輸出 高電平時(shí)，三極管 VQ1導(dǎo)通，從而使MOST的柵極電壓低于源極電壓，MOST的源極和漏極導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮。當(dāng)PWM波輸出低電平時(shí)，VQ1截 止，LED熄滅。4典型照明LED驅(qū)動(dòng)方案目前全球LED市場(chǎng)主要有日本的日亞化學(xué)( Nichia )

7、、豐田合成(ToyodaGosei)、美國(guó)Cree公司、 歐洲飛利浦(PhilipsLumileds )和歐司朗(Osram) 5家掌控。照明LED驅(qū)動(dòng)芯片制造商，國(guó)內(nèi)利用較多 的有華潤(rùn)矽威科技和臺(tái)灣點(diǎn)晶科技的產(chǎn)品，國(guó)外利用較多的有安森美和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體等芯片。(1)華潤(rùn)矽威的LED驅(qū)動(dòng)芯片華潤(rùn)矽威科技最新推出的 PT4207采用SOP8封裝，是一款高壓降壓式LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，能適應(yīng)從18V 到450V的輸入電壓范圍，可支持上百個(gè)LED的串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，占空比最高可達(dá)100%以保證系統(tǒng)的高效能。內(nèi)置輸入電壓補(bǔ)償功能，極大改善了PT4207在不同輸入電壓下的LED電流穩(wěn)定性。PT4207內(nèi)置一

8、個(gè)350mA開(kāi)關(guān)，并配備外部MOS開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)端口。對(duì)于350mA以下的應(yīng)用無(wú)需外部 MO齊關(guān)，對(duì)于高于350mA 的應(yīng)用可 采用外部MOST擴(kuò)展電流。LED電流可通過(guò)外部電阻設(shè)定。通過(guò)多功能調(diào)光DIM管腳，可使用電阻或DC電壓線(xiàn)性調(diào)節(jié)LED電流，也可使用數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)光。PT4207具有多種保護(hù)功能，包括負(fù)載短路保護(hù)、開(kāi)路保護(hù)、過(guò)溫度保護(hù)等。適合AC/DCled日光燈、RGB背光LED驅(qū)動(dòng)、LED環(huán)境裝飾燈等各種應(yīng)用。PT4207的典型應(yīng)用線(xiàn)路如圖 5所示。cn圖5 LED日光燈驅(qū)動(dòng)芯片PT4207典型應(yīng)用線(xiàn)路(2)安森美LED驅(qū)動(dòng)芯片安森美半導(dǎo)體NCL30000是一款極佳的產(chǎn)品，成本

9、低，性能佳。這器件集成了 PFC DC-DC轉(zhuǎn)換和LED 驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)單易用，其小型 SOIC封裝也有利于小巧設(shè)計(jì)和低成本。 NCL30000采用緊湊型的8引腳表面貼 裝封裝，使用臨界導(dǎo)電模式反激架構(gòu)， 以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在寬AC輸入電壓范圍內(nèi) 提供大于0.95的高功 率因數(shù)。典型應(yīng)用包括 LED驅(qū)動(dòng)器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)組件(TRIAC)可調(diào)光LED燈及功 率因數(shù)校正恒壓電 源。其典型應(yīng)用原理圖如圖 6所示。圖6 NCL30000典型應(yīng)用原理圖(3 )美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LED驅(qū)動(dòng)芯片恒流降壓型，Vin 范圍：LM34053V -15V/LM3405A 3V-22V;基準(zhǔn)電流源：20

10、0mV 工作頻率：0.550/1.6MHZ ;PW碉光。典型應(yīng)用為：家用照明、路燈、廣告裝飾等。LM3405典型應(yīng)用原理圖見(jiàn)圖 7。圖7LM3405典型應(yīng)用原理圖（4）臺(tái)灣點(diǎn)晶科技LED驅(qū)動(dòng)芯片DM413是全彩驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)置灰度產(chǎn)生器，采用PWM脈寬調(diào)制方式。專(zhuān)為 LED照明、裝飾、大屏顯示等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。最大恒流輸出：100mA最大輸出承受電壓：17V ;最大串行時(shí)鐘頻率：20MHz芯片工作電壓：3.3V-5.5V。DM413具有若干信號(hào)輸入輸出引腳及多個(gè)功能設(shè)定引腳。信號(hào)通過(guò)輸入接口給DM413相應(yīng)的輸入引腳。3個(gè)輸出引腳用于連接 LED可分配給R，G B三個(gè)顏色，同一個(gè)輸出引腳接相同顏色的

11、 LED,根據(jù)配色需要，每個(gè)輸岀引腳可接一個(gè)或多個(gè)LEDb控制器輸岀接口具有三條信號(hào)線(xiàn)：一條串行數(shù)據(jù)輸岀線(xiàn)，一條時(shí)鐘信號(hào)輸岀線(xiàn)及一條鎖存信號(hào)線(xiàn)。這三條線(xiàn)分別接到驅(qū)動(dòng)芯片相應(yīng)的3個(gè)引腳上。和一般的串行移位機(jī)制相同，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，串行數(shù)據(jù)在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部移位寄存。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收完畢，控制器向驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送鎖存信號(hào)，使LED驅(qū)動(dòng)芯片鎖存已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，同時(shí)會(huì)根據(jù)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。該方式控制LED以人眼分辨不出的高頻率快速亮滅，根據(jù)芯片所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)設(shè)定亮和滅所占的比例，即實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)別的控制。DM413的典型應(yīng)用原理圖見(jiàn)圖 8。圖8 DM413典型應(yīng)用原理圖5結(jié)語(yǔ)綜上所述可以看岀，LED在工作

12、時(shí)需要有穩(wěn)流、穩(wěn)壓的元件，但是此類(lèi)元件應(yīng)具備自身承擔(dān)的分壓高但功耗要小的特性。所以，應(yīng)盡可能采用電容、電感或有源開(kāi)關(guān)電路等高效電路，這樣才能保證LED系統(tǒng)的高效率。采用串聯(lián)式集成恒功率輸岀電路，可以使LED的光輸岀在很寬的電源范圍內(nèi)保持恒定，但一般的IC電路會(huì)因此而使效率有所下降。采用有源開(kāi)關(guān)電路，可以保證在較高的轉(zhuǎn)換效率下，實(shí)現(xiàn)電源電壓 大幅度變化時(shí)恒功率輸出。LED現(xiàn)今絕大多數(shù)芯片都可以從 0100%勺調(diào)制光度，并且可保證在整個(gè)調(diào)光 過(guò)程保持較高光效，并且不損害LED的壽命。目前，針對(duì)光度控制方面，主要的兩種解決方案為線(xiàn)性調(diào)節(jié)LED的電流（模擬調(diào)光）或在肉眼無(wú)法察覺(jué)的高頻下，讓驅(qū)動(dòng)電流從0

13、到目標(biāo)電流值之間來(lái)回切換（數(shù)字調(diào)光）。利用脈沖寬度調(diào)變（PWM來(lái)設(shè)定循環(huán)和工作周期可 能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的最簡(jiǎn)單的方法。5771001803090012095 5790368228596330825771001803090012386 5761373997357606965771001803090013594 5780775799025155125771001803090012387 5771649826018180515771001803090012138 5721311921589183265771001803090012359 5790368223610760535771001803090

14、012356 5761352861437917425771001803090012355 57508786970469327917088100343355274 10122994432583337917088100343355275 10186673293883200817088100343356107 10158115250150052217088100343356108 10100018005987173217088100343354295 10107419414268701717088100343356184 10187866086962880217088100343356185 1017758311740