照明用LED驅動技術方案的探

1、照明用LED驅動技術方案的探1引言led具有環(huán)保、節(jié)能、效率高、壽命長、安全可靠的優(yōu)勢，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、驅動方法和典型應用， 才能讓LED照明的應用最大化。2 LED工作原理要設計驅動電路，首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要與VF、IF有關。LED的伏安特性見圖1，其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電 流。當正向電壓超過閾值（即導通電壓，如圖約1.7V）時，可近似認為IF與VF成正比。由圖可知，LED的最高IF可達1A，而VF通常為2 V4V。!f/mAVf/V圖1LED的VF與IF的

2、關系LED的正向壓降變化范圍比較大（可達 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曲線可知，VF的微小變化會引 化。所以，通常LED的發(fā)光特性都用電流的函數(shù)來描述，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)電壓的波動也會變化，由此可知，采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響 LED的特性。因此，LED驅動通常采用恒流源驅動。3 LED驅動技術由LED的工作原理知道，要使 LED保持最佳的亮度狀態(tài)，需要恒流源來驅動。驅動的任務既要保持恒 流特性，還要保持較低的功耗。為了滿足以上要求，通常采用的控制電流的方法有：通過調節(jié)限流電阻的 大小實現(xiàn)控

3、制電流；通過調節(jié)限流電阻上的基準電壓來調節(jié)電流；PW碉制實現(xiàn)電流控制。LED的驅動技術與開關電源中應用的技術十分類似，LED驅動電路是一種電源轉換電路，但輸岀的是恒定電流而非恒定電壓。無論在任何情況下，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。限流法如圖2所示，這是傳統(tǒng)的電路。電網(wǎng)電壓通過降壓、整流、濾波后，通過電阻限流使LED穩(wěn)定工作。這種電路的致命缺點是：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%。當電源電壓在土 10%的范圍內變動時，流過 LED的電流變化將25% LED上的功率變化超過30%。電阻限 流的優(yōu)點是設計簡單、成本低、無電磁干擾；

4、但是電流會隨著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的基礎上加了一個集成穩(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 造成LED的電壓不穩(wěn)。但是，此電路效率還是低。因為MC7809和R1上的壓降仍占很大比例，其效率約為40%左右。這就稱不上是節(jié)能照明產(chǎn)品。為了達 到既能使LED穩(wěn)定工作，又能保持高的效 率，應采用低功耗的限流元件和電路來使系統(tǒng)效率提高。線形穩(wěn)壓法的優(yōu)點是結構簡單、外部元件少、效 率中等、成本較低。R1鍬-pgLED1圖3 穩(wěn)壓法 PWMfePWM脈寬調制，即用脈寬調制的方法，改變LED驅動電流的脈沖占空比來控制光

5、的亮度。是利用簡單的數(shù)字脈沖，反復開 關LED驅動器的調光技術。使用者只需提供寬、窄不同的數(shù)字脈沖，即可實現(xiàn)改變輸 岀電流，從而調節(jié) 白光LED的亮度。此驅動電路的特點是，通過一個電感器將能量傳遞給負載，通常是用一個PWM控制信號，對MOSFE晶體管觸發(fā)導通和關斷來實現(xiàn)。通過改變PWM勺占空比和電感器的充放電時 間，對輸入電壓和 輸岀電壓的比率進行調節(jié)。這類電路常見的結構包括降壓、升壓、降壓-升壓等類型。優(yōu)點是高效、穩(wěn)定，但容易產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲，成本高，設計復雜。圖 4 PWM法圖4的PWM信號，經(jīng)過三極管 VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅動， 采用簡單的N

6、PN三極管驅動放大電路， 以改 善MOST的導通過程，減少驅動電源的功率。 當驅動電路直接 驅動MOST時，會引起被驅動MOST的快速開通和關斷，這就可能造成被驅動 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遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題，需在被驅動 MOST的柵極與驅動電路的輸出之間串聯(lián)一只無感電阻。當PWM波輸出 高電平時，三極管 VQ1導通，從而使MOST的柵極電壓低于源極電壓，MOST的源極和漏極導通，LED點亮。當PWM波輸出低電平時，VQ1截 止，LED熄滅。4典型照明LED驅動方案目前全球LED市場主要有日本的日亞化學( Nichia )

7、、豐田合成(ToyodaGosei)、美國Cree公司、 歐洲飛利浦(PhilipsLumileds )和歐司朗(Osram) 5家掌控。照明LED驅動芯片制造商，國內利用較多 的有華潤矽威科技和臺灣點晶科技的產(chǎn)品，國外利用較多的有安森美和美國國家半導體等芯片。(1)華潤矽威的LED驅動芯片華潤矽威科技最新推出的 PT4207采用SOP8封裝，是一款高壓降壓式LED驅動控制芯片，能適應從18V 到450V的輸入電壓范圍，可支持上百個LED的串并聯(lián)驅動應用，占空比最高可達100%以保證系統(tǒng)的高效能。內置輸入電壓補償功能，極大改善了PT4207在不同輸入電壓下的LED電流穩(wěn)定性。PT4207內置一

8、個350mA開關，并配備外部MOS開關驅動端口。對于350mA以下的應用無需外部 MO齊關，對于高于350mA 的應用可 采用外部MOST擴展電流。LED電流可通過外部電阻設定。通過多功能調光DIM管腳，可使用電阻或DC電壓線性調節(jié)LED電流，也可使用數(shù)字脈沖信號進行PWM調光。PT4207具有多種保護功能，包括負載短路保護、開路保護、過溫度保護等。適合AC/DCled日光燈、RGB背光LED驅動、LED環(huán)境裝飾燈等各種應用。PT4207的典型應用線路如圖 5所示。cn圖5 LED日光燈驅動芯片PT4207典型應用線路(2)安森美LED驅動芯片安森美半導體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轉換和LED 驅動器，簡單易用，其小型 SOIC封裝也有利于小巧設計和低成本。 NCL30000采用緊湊型的8引腳表面貼 裝封裝，使用臨界導電模式反激架構， 以單段式拓撲結構，在寬AC輸入電壓范圍內 提供大于0.95的高功 率因數(shù)。典型應用包括 LED驅動器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開關組件(TRIAC)可調光LED燈及功 率因數(shù)校正恒壓電 源。其典型應用原理圖如圖 6所示。圖6 NCL30000典型應用原理圖(3 )美國國家半導體LED驅動芯片恒流降壓型，Vin 范圍：LM34053V -15V/LM3405A 3V-22V;基準電流源：20

10、0mV 工作頻率：0.550/1.6MHZ ;PW碉光。典型應用為：家用照明、路燈、廣告裝飾等。LM3405典型應用原理圖見圖 7。圖7LM3405典型應用原理圖（4）臺灣點晶科技LED驅動芯片DM413是全彩驅動芯片，內置灰度產(chǎn)生器，采用PWM脈寬調制方式。專為 LED照明、裝飾、大屏顯示等應用而設計。最大恒流輸出：100mA最大輸出承受電壓：17V ;最大串行時鐘頻率：20MHz芯片工作電壓：3.3V-5.5V。DM413具有若干信號輸入輸出引腳及多個功能設定引腳。信號通過輸入接口給DM413相應的輸入引腳。3個輸出引腳用于連接 LED可分配給R，G B三個顏色，同一個輸出引腳接相同顏色的

11、 LED,根據(jù)配色需要，每個輸岀引腳可接一個或多個LEDb控制器輸岀接口具有三條信號線：一條串行數(shù)據(jù)輸岀線，一條時鐘信號輸岀線及一條鎖存信號線。這三條線分別接到驅動芯片相應的3個引腳上。和一般的串行移位機制相同，在時鐘信號的控制下，串行數(shù)據(jù)在驅動芯片內部移位寄存。當數(shù)據(jù)發(fā)送接收完畢，控制器向驅動芯片發(fā)送鎖存信號，使LED驅動芯片鎖存已存儲的數(shù)據(jù)，同時會根據(jù)所存儲的數(shù)據(jù)驅動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)芯片所存儲的數(shù)據(jù)設定亮和滅所占的比例，即實現(xiàn)灰度級別的控制。DM413的典型應用原理圖見圖 8。圖8 DM413典型應用原理圖5結語綜上所述可以看岀，LED在工作

12、時需要有穩(wěn)流、穩(wěn)壓的元件，但是此類元件應具備自身承擔的分壓高但功耗要小的特性。所以，應盡可能采用電容、電感或有源開關電路等高效電路，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保持恒定，但一般的IC電路會因此而使效率有所下降。采用有源開關電路，可以保證在較高的轉換效率下，實現(xiàn)電源電壓 大幅度變化時恒功率輸出。LED現(xiàn)今絕大多數(shù)芯片都可以從 0100%勺調制光度，并且可保證在整個調光 過程保持較高光效，并且不損害LED的壽命。目前，針對光度控制方面，主要的兩種解決方案為線性調節(jié)LED的電流（模擬調光）或在肉眼無法察覺的高頻下，讓驅動電流從0

13、到目標電流值之間來回切換（數(shù)字調光）。利用脈沖寬度調變（PWM來設定循環(huán)和工作周期可 能是實現(xiàn)數(shù)字調光的最簡單的方法。5771001803090012095 5790368228596330825771001803090012386 5761373997357606965771001803090013594 5780775799025155125771001803090012387 5771649826018180515771001803090012138 5721311921589183265771001803090012359 5790368223610760535771001803090

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