LED封裝技術(shù)與應(yīng)用(沈潔)3-1

1、第三篇大功率LED照明設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及器件封裝 天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院光伏發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)，電子信息與自動(dòng)化學(xué)院LEDLED制造技術(shù)與應(yīng)用制造技術(shù)與應(yīng)用 沈沈 潔潔 大功率大功率LED照明設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及器件封裝照明設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及器件封裝 LED驅(qū)動(dòng)器是指驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光或LED模塊組件正常工作的電源調(diào)整電子器件。由于LED驅(qū)動(dòng)器在LED應(yīng)用產(chǎn)品上的獨(dú)到重要性和廣泛的用戶需求，使得作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器的心臟部件的LED驅(qū)動(dòng)IC成了整個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵元素。促使很多生產(chǎn)商，其中不乏上市公司，以LED驅(qū)動(dòng)作為其主營產(chǎn)品，向下游產(chǎn)業(yè)大量供應(yīng)LED驅(qū)動(dòng)IC。 1對(duì)輸出功率和

2、效率的要求，這涉及到LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等。 2 對(duì)供電電源的要求?？煞譃槿N方式：AC-DC電源、DC-DC電源和直接采用AC電源驅(qū)動(dòng)。 3 對(duì)功能的要求，其中包括對(duì)調(diào)光的要求、對(duì)調(diào)光方式（模擬、數(shù)字或多級(jí)）的要求、對(duì)照明控制的要求等。 4 其他方面的要求：尺寸的大小，是否適合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展方向，集成化小型化，外圍元件少而小，使其占印刷電路板面積小，以便小尺寸封裝；成本的控制、故障處理（保護(hù)特性）及是否有完善的保護(hù)電路，如低壓鎖存、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出開路或短路保護(hù)；要遵從的標(biāo)準(zhǔn)及可靠性等。 從LED器件的發(fā)光機(jī)理可以知道，當(dāng)向LED器件施加正向電壓時(shí)，流過器件的正向

3、電流使其發(fā)光。因此LED的驅(qū)動(dòng)就是如何使它的州結(jié)處于正偏置，而是為了控制（調(diào)節(jié)）它的發(fā)光強(qiáng)度，還要解決正向電流的調(diào)節(jié)問題。具體的驅(qū)動(dòng)方法可以分為直流驅(qū)動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)、脈沖驅(qū)動(dòng)和掃描驅(qū)動(dòng)等。1直流驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng) 直流驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方法，由電阻及與發(fā)光二極管MD串聯(lián)后直接連接到電源比上。連接時(shí)令LED的陰極接電源的負(fù)極方向，陽極接正極方向。只要保證LED處于正偏置，發(fā)光；極管與電阻的位置是可以互換的。直流驅(qū)動(dòng)時(shí)，LED的工作點(diǎn)由電源電壓Vcc、串聯(lián)電阻及和LED器件的伏安特性共同決定。對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)的電壓電流分別為Vf和If改變Vcc的值或R的值，可以調(diào)節(jié)JJ的值，從而調(diào)節(jié)LED的發(fā)先強(qiáng)度。1直流驅(qū)

4、動(dòng)直流驅(qū)動(dòng)圖3.1.1 LED的直流驅(qū)動(dòng)1直流驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng)圖3.1.2 LED器件的并聯(lián)與串聯(lián)驅(qū)動(dòng)(a) LED并聯(lián)驅(qū)動(dòng)(b) LED串聯(lián)驅(qū)動(dòng)1直流驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng)在串聯(lián)情況下，有其中，n為串聯(lián)的LED器件數(shù)量。在并聯(lián)情況下，有 在并聯(lián)連接時(shí)，應(yīng)該注意各個(gè)LED器件需要有自己的串聯(lián)（限流）電阻，而不要共用一個(gè)串聯(lián)電阻因?yàn)楣灿猛浑娮枋沟酶鱾€(gè)LED器件的正向電壓相同，而器件的分散性將造成在相同的正向電壓下其正向電流并不相同，導(dǎo)致各器件的發(fā)光強(qiáng)度不同。2恒流驅(qū)動(dòng)恒流驅(qū)動(dòng) 由于LED器件的正向特性比較陡，加上器件的分散性，使得在同樣電源電壓和同樣的限流電阻的情況下，各器件的正向電流并不相同，引起發(fā)光強(qiáng)度

5、的差異。如果能夠?qū)ED正向電流直接進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，只要恒流值相同，發(fā)光強(qiáng)度就比較接近（同樣存在著發(fā)光強(qiáng)度與正向電流之間各個(gè)器件的分散性，但是這種分散性沒有伏安特性那么陡，所以影響也就小很多了）。我們知道，晶體管的輸出特性具有恒流性質(zhì)，所以可以用品體管驅(qū)動(dòng)LED。2恒流驅(qū)動(dòng)恒流驅(qū)動(dòng)圖3.1.3 使用晶體管恒流驅(qū)動(dòng)LED器件2恒流驅(qū)動(dòng)恒流驅(qū)動(dòng) 可以將晶體管與比D器件串聯(lián)在一起，這時(shí)LED的正向電流就等于晶體管的集電極電流，如圖3.1.3所示。如果直接使用品體管基極電流控制其集電極電流的話，由于晶體管放大倍數(shù)的分散性，同樣的基極電流，會(huì)產(chǎn)生不同的集電極電流。因此應(yīng)該采用基極電壓控制方式，即在發(fā)射極中

6、串聯(lián)電阻Re，這時(shí)有 式中，Vb為外加基極電壓，Vbe為基極發(fā)射極電壓。由于晶體管Vbe的分散性比放大倍數(shù)點(diǎn)的分散性要小，所以各LED器件的正向電流在其Vb與Re相同的情況下，基本上是可以保證是一致的。此外電壓控制方式比電流控制方式更方便。3脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng) 利用人眼的視覺惰性、采用向LED器件重復(fù)通斷供電的方法點(diǎn)亮LED，就是通常所說的脈沖驅(qū)動(dòng)方式。采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式時(shí)應(yīng)該注意兩個(gè)問題：脈沖電流幅值的確定和重復(fù)頻率的選擇。首先，要想獲得與直流驅(qū)動(dòng)方式相當(dāng)?shù)陌l(fā)光強(qiáng)度的話，脈沖驅(qū)動(dòng)電流的平均值Ia就應(yīng)該與直流驅(qū)動(dòng)的電流值相同。如圖3.1.4所示，平均電流Ia是瞬時(shí)電流i的時(shí)間積分對(duì)于矩形波來說，有

7、3脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)圖3.1.4 LED的脈沖驅(qū)動(dòng)3脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng) 其中tonT就是占空比的一種描述，嚴(yán)格意義上的占空比應(yīng)該是tontoff，但因toffT-ton，所以tonT也就間接表示了tontoff。為了使脈沖驅(qū)動(dòng)方式下的平均電流Ia與直流驅(qū)動(dòng)電流Io相同，就需要使它的脈沖電流幅值滿足 可見脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)、脈沖電流的幅值應(yīng)該比直流驅(qū)動(dòng)電流大tontoff倍。所幸的是脈沖驅(qū)動(dòng)下的最大允許電流幅值比直流驅(qū)動(dòng)的電流最大允許值高得多。4掃描驅(qū)動(dòng)掃描驅(qū)動(dòng) 掃描驅(qū)動(dòng)通過數(shù)字邏輯電路，使若干LED器件輪流導(dǎo)通，用以節(jié)省控制驅(qū)動(dòng)電路。圖3.1.5 掃描驅(qū)動(dòng)電路4掃描驅(qū)動(dòng)掃描驅(qū)動(dòng) 上圖所示為用于對(duì)n個(gè)LED

8、器件進(jìn)行掃描驅(qū)動(dòng)的電路。假定切換電路在切換過程中沒有時(shí)間延遲，且每個(gè)LED的導(dǎo)通時(shí)間ton是相等的。則占空比ton/T=1/n。此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流幅值IF應(yīng)該等于相當(dāng)直流驅(qū)動(dòng)電流Io的n倍，才能達(dá)到與相當(dāng)直流驅(qū)動(dòng)一樣的效果。 當(dāng)然If之值必須小于該器件的最大允許脈沖幅值電流。這樣，n的值就不可能取得太大，否則不是顯示亮度不夠，就是電流超過極限位。一般n最大取為16，這時(shí)的顯示亮度大約是直流驅(qū)動(dòng)下能夠顯示的最大亮度的l4。這個(gè)亮度對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用，一般是能夠滿足要求的，但對(duì)于室外應(yīng)用就不行了。室外應(yīng)用時(shí)，n可選擇為4。 在實(shí)際應(yīng)用大功率 LED 燈時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)了解其關(guān)鍵參數(shù)和重要特性，比較常關(guān)注的參數(shù)如

9、下： 1最大功耗Pm：是指允許加在 LED 兩端正向電壓與正向電流之積的最大值。如果超過此值，LED 將發(fā)熱燒毀。 2正向最大電流IFm：指允許正向加在 LED 兩端的最大直流電流。 3正向額定電流IF：指 LED 額定功率工作時(shí)的電流，一般情況下IF0.6IFm。指示燈 LED 一般IF10mA，大功率 LED 一般IF350mA。 4正向壓降VF ：LED 額定電流工作時(shí)的壓降，一般在IF350mA 測(cè)得。 5反向最大耐壓VRm ：指允許反向加在 LED 兩端的最大電壓。若超過該值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。 6工作環(huán)境溫度范圍topm ：LED 可正常工作的環(huán)境溫度范圍。若不在此溫度范圍

10、內(nèi)工作，LED 的發(fā)光效率會(huì)大大降低。 除此之外，還有結(jié)溫、發(fā)光強(qiáng)度、光譜寬度、焊接時(shí)間等參數(shù)。 1電學(xué)特性具有離散性電學(xué)特性具有離散性 現(xiàn)在市場(chǎng)上的主流大功率 LED 產(chǎn)品中，有白光、紅光和藍(lán)光三種 LED，由于其制作工藝和原理的不同，三種光色的大功率 LED 額定工作時(shí)正向壓降都不一樣，其中白光 LED 的正向壓降VF比一般的有色 LED 都要高，大約在 3V4V 之間，而紅光 LED 的正向壓降一般只要 1V2V 左右。另外，即使同為白光 LED，由于元件不可能一模一樣，不相同的 LED 在相同正向電壓下，流過它們的電流也具有很大的離散性。圖 3.2.1 所示曲線是從兩個(gè)不同的白光 LE

11、D 生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品中各取三個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試所得的 I-V 特性曲線，從圖中可以看出，這樣的六顆不同 LED在一相同電壓的驅(qū)動(dòng)下，正向電流差異可從 10mA 到 43mA（3.4V 電壓下）不同。1電學(xué)特性具有離散性電學(xué)特性具有離散性圖3.2.1 不同白光 LED 的正向 I-V 曲線 2發(fā)光特性發(fā)光特性 LED 的發(fā)光亮度體現(xiàn)在其輸出光通量的大小，因此控制 LED 的輸出光通量，就可以控制其發(fā)光亮度。圖 3.2.2 所示曲線為美國 Lumileds Lighting 公司 1 瓦大功率LED 在 25時(shí)輸出光通量 與其正向工作電流IF的關(guān)系曲線。從圖中可知，LED的輸出光通量與其正向工作電流大小

12、近似成正比關(guān)系，因此通過控制 LED 的正向電流IF可控制其輸出光通量，也就是控制其發(fā)光亮度。 2發(fā)光特性發(fā)光特性圖 3.2.2 LED 輸出光通量與其正向電流IF的關(guān)系曲線 電阻限流驅(qū)動(dòng)電路的思想來源于LED的伏安特性，選擇LED合適的工作電流，然后根據(jù) LED 的 V-I 特性曲線計(jì)算出該電流值下的正向?qū)▔航?，最后用輸入電壓減去 LED 工作壓降的差值除以工作電流，即可得到所需限流電阻值的大小。電路連接如圖 3.3.1 所示，改變限流電阻值的大小即可改變工作電流，從而改變 LED的發(fā)光強(qiáng)度。圖 3.3.1 電阻限流電路 電阻限流驅(qū)動(dòng)方式的主要特點(diǎn)是電路比較簡(jiǎn)單，正是這個(gè)原因，因此這種驅(qū)動(dòng)

13、方式存在不少的缺點(diǎn)：首先，若輸入電壓出現(xiàn)微小的波動(dòng)，就會(huì)直接導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流的波動(dòng)，從而影響光通量輸出、發(fā)光亮度的變化；其次，串接的限流電阻上會(huì)消耗大量的功率，特別是在大功率 LED 驅(qū)動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)尤為突出，這樣整個(gè)系統(tǒng)效率將是一個(gè)嚴(yán)重的問題；最后，倘若用調(diào)節(jié) R 值大小的方式對(duì) LED 進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)時(shí)，R 值的變化導(dǎo)致流過 LED 的電流發(fā)生了變化，這樣會(huì)使 LED 發(fā)出的白光顏色發(fā)生偏移，所以這種驅(qū)動(dòng)方式多用在指示燈等簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)合。 線性調(diào)節(jié)器是在電阻限流驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其主要思想是采用工作在線性區(qū)的功率管作為一個(gè)能動(dòng)態(tài)調(diào)整的電阻，然后引入負(fù)反饋來控制該動(dòng)態(tài)電阻的阻值，從而控制輸出電流

14、，實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 的恒流驅(qū)動(dòng)。線性調(diào)節(jié)器又可以分為并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器和串聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器。 開關(guān)調(diào)節(jié)方式即開關(guān)電源是能量轉(zhuǎn)換方式中效率最高的一種，特別適用于大功率 LED 的照明驅(qū)動(dòng)。最主要、最常用的開關(guān)調(diào)節(jié)器是 Buck、Boost 型開關(guān)調(diào)節(jié)器，與傳統(tǒng)的電壓反饋型 Buck、Boost 變換器不同的是：作為大功率 LED 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其反饋信號(hào)是流過 LED 燈中的電流信號(hào)，而不像電壓型調(diào)節(jié)器中的反饋信號(hào)是輸出電壓信號(hào)，這樣的好處是可直接控制輸出電流，從而控制對(duì) LED 燈的恒流驅(qū)動(dòng)。1Buck 型開關(guān)調(diào)節(jié)器型開關(guān)調(diào)節(jié)器圖 3.3.3 電壓型 Buck 變換器和 Buck 型大功

15、率 LED 驅(qū)動(dòng)器電路圖 1Buck 型開關(guān)調(diào)節(jié)器型開關(guān)調(diào)節(jié)器 圖（a）所示電路結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的電壓反饋型 Buck 開關(guān)調(diào)節(jié)器，利用此基本結(jié)構(gòu)，通過更改反饋類型即可得到電流反饋型的 Buck 大功率 LED 驅(qū)動(dòng)變換器。 圖（b）所示，把主功率管開關(guān)放在電感后面，其源極通過電流采樣電阻 Rs連接到地，這樣也可實(shí)現(xiàn)低端功率管驅(qū)動(dòng)，實(shí)際應(yīng)用中可以省去電平移位電路，更有利于功率管 Q 的開關(guān)。LED 負(fù)載直接與儲(chǔ)能電感串聯(lián)，二極管 D 為續(xù)流二極管。電流型 Buck 開關(guān)調(diào)節(jié)器用于大功率 LED 驅(qū)動(dòng)時(shí)，無需濾波電容，所以其結(jié)構(gòu)變得比電壓型 Buck 調(diào)節(jié)器還簡(jiǎn)單。 Buck 型大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器

16、通過采樣電阻 Rs 引入電流負(fù)反饋直接控制電流，所以才能用于對(duì) LED 的驅(qū)動(dòng)；電壓型 Buck 變換器的反饋量是電壓，不能實(shí)現(xiàn)電流控制，故不能用于 LED 驅(qū)動(dòng)，這兩種模式的被控制量不同。 1Buck 型開關(guān)調(diào)節(jié)器型開關(guān)調(diào)節(jié)器 對(duì)于圖3.3.3（b）所示電路，假設(shè)開關(guān)器件、二極管、電感均為理想元件。設(shè)開關(guān)周期為 T，開關(guān)開通時(shí)間為DT，其中 D 為開通時(shí)間占空比。在輸入電壓不變的情況下，當(dāng)主功率管開通時(shí)，電感電流上升，由于采樣電阻 Rs 較小，忽略 Rs 上的壓降，由 KVL 定理及電感的電流電壓關(guān)系有： 當(dāng)t=0時(shí)刻Q開始開通，一直保持到ton=DT，電感電流增加（記為 ） 2Boost

17、型開關(guān)調(diào)節(jié)器型開關(guān)調(diào)節(jié)器 圖3.3.4（a）所示電路結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的電壓反饋型 Boost 開關(guān)調(diào)節(jié)器，同理，利用此基本結(jié)構(gòu)，通過在 LED 電流通路中串聯(lián)一個(gè)小的采樣電阻 Rs，更改反饋類型，反饋 LED 中的電流，即可得到電流反饋型的 Boost 大功率 LED 驅(qū)動(dòng)變換器。圖3.3.4 電壓型 Boost 變換器和 Boost 型大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器電路圖 圖3.4.1 電流型 PWM 控制原理圖 這便是電流 PWM 控制里的峰值電流模式，這種模式有如下好處：1此模式有潛在的前饋?zhàn)饔茫驗(yàn)殡姼须娏餍逼率禽斎腚妷旱暮瘮?shù)，輸入電壓的變化將立即引起電感電流斜坡斜率的變化，其結(jié)果就能立即產(chǎn)生占空比

18、的校正，使得對(duì)輸入電壓變化的響應(yīng)速度加快。2由于誤差放大器現(xiàn)在只用于控制輸出電流（Vc14控制 Rs 上的電流）而不是輸出電壓，因此輸出電感的影響可以最小化，僅由濾波電容提供一個(gè)極點(diǎn)引入環(huán)路中，這樣便簡(jiǎn)化了補(bǔ)償設(shè)計(jì)。另外，這種模式也有不少缺點(diǎn)如：1前沿電流尖峰是一個(gè)特別麻煩的電流噪聲源，需要加入前沿消隱電路。2如果沒有斜坡補(bǔ)償，當(dāng)占空比大于 50%時(shí)會(huì)產(chǎn)生次諧波振蕩。3電路中存在兩個(gè)反饋環(huán)，使得電路分析復(fù)雜。 要將圖3.4.1中的電流模式 PWM 變換器用于大功率 LED 恒流驅(qū)動(dòng)，只需將一個(gè)電流采樣電阻 Rsense 與 LED 串串聯(lián)，取 Rsense 上的電壓降作為反饋電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行

19、誤差放大即可。如圖3.4.2所示的 National Semiconductor 公司的 PWM 控制型的 LED 驅(qū)動(dòng)電路 LM3405 。 圖3.4.2 基于 PWM 控制的 LED 驅(qū)動(dòng)電路（LM3405） 遲滯模式控制原理如圖3.4.3所示，調(diào)制器是由一個(gè)簡(jiǎn)單的帶有固定遲滯量的比較器構(gòu)成，用于對(duì)反饋電壓和參考電壓作比較，比較器輸出去控制功率管的開關(guān)。當(dāng)反饋電壓超過參考電壓 Vref 加上一個(gè)固定的遲滯總量時(shí)，遲滯比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低，關(guān)斷功率管，從而反饋電壓開始降低，又當(dāng)反饋電壓低于參考電壓 Vref 時(shí)，比較器輸出高，再把功率管打開，完成一個(gè)周期的控制。其工作波形如圖3.4.4所示。圖

20、3.4.3 遲滯控制模式原理圖 圖3.4.4 遲滯控制波形 遲滯控制模式的 LED 驅(qū)動(dòng)電路就是把采樣電阻 Rsense 與 LED 串串聯(lián)，然后用采樣電阻Rsense上的電壓作反饋電壓信號(hào)，這樣便可直接控制LED中的電流了，如下圖所示，當(dāng)然這只是一個(gè)遲滯控制模式 LED 驅(qū)動(dòng)電路的核心部分，實(shí)際中還需要很多輔助電路如過流保護(hù)、過溫保護(hù)等。雖然遲滯模式控制紋波會(huì)稍大，但在大功率白光 LED 照明應(yīng)用中，定的紋波和頻率變化對(duì) LED 照明不會(huì)產(chǎn)生影響，所以這是一種最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的照明驅(qū)動(dòng)電路。 恒定導(dǎo)通時(shí)間控制（COT：Constant On Time）也叫做可控導(dǎo)通時(shí)間控制，是對(duì)傳統(tǒng)遲滯控制模式的

21、一種改進(jìn)。下圖所示為恒定導(dǎo)通時(shí)間控制原理框圖，和遲滯模式不同的是，這里的調(diào)制器不是僅僅用一個(gè)雙電平比較器實(shí)現(xiàn)，而是用一個(gè)單電平比較器加上一個(gè)可控制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間（Ton）與輸入電壓 Vin 成反比例的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，如圖中虛線框內(nèi)部分。整個(gè)環(huán)路工作過程是這樣的：比較器監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)輸出電壓低于比較器參考電壓 Vref 時(shí)，比較器輸出觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，一旦觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（這兒也可稱為開通定時(shí)器）產(chǎn)生一個(gè)與輸入電壓 Vin 成反比的穩(wěn)態(tài)時(shí)間，控制功率管在這段固定的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通；輸入電壓越高，穩(wěn)態(tài)時(shí)間（導(dǎo)通時(shí)間）越?。划?dāng)這段單穩(wěn)態(tài)定時(shí)到了之后，功率管就關(guān)斷，完成一個(gè)周期的工作。其工作波形如下圖

22、所示。 雖然大功率LED現(xiàn)在還不能大規(guī)模取代傳統(tǒng)的照明燈具，但它們?cè)谑覂?nèi)外裝飾、特種照明方面有著越來越廣泛的應(yīng)用，因此掌握大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于開拓大功率LED的新應(yīng)用至關(guān)重要。LED按照功率和發(fā)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(yīng)用的有1W和3W LED，而5W、8W和10W LED的應(yīng)用相對(duì)較少。預(yù)計(jì)大功率LED燈會(huì)在2010年上海世博會(huì)上大量應(yīng)用，因此電子和照明行業(yè)都非常關(guān)注LED照明新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。 恒流驅(qū)動(dòng)和提高LED的光學(xué)效率是LED 應(yīng)用設(shè)計(jì)

23、的兩個(gè)關(guān)鍵問題，本文首先介紹大功率LED的應(yīng)用及其恒流驅(qū)動(dòng)方案的選擇指南，然后以美國國家半導(dǎo)體(NS)的產(chǎn)品為例，重點(diǎn)討論如何巧妙應(yīng)用LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的采樣電阻提高大功率LED的效率，并給出大功率LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。 LED驅(qū)動(dòng)只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分，但它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的可靠性。目前，美國國家半導(dǎo)體公司的LED驅(qū)動(dòng)方案主要定位在中高端LED照明和燈飾等市場(chǎng)。燈飾分為室內(nèi)和室外兩種，由于室內(nèi)LED燈所應(yīng)用的電源環(huán)境有AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器兩種方式，所以驅(qū)動(dòng)芯片的選擇也要從這兩方面考慮。 1. AC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 AC/DC分為220V交流輸入和12V交

24、流輸入。12V交流電是酒店中廣泛應(yīng)用的鹵素?zé)舻碾娫?，現(xiàn)有的LED可以在保留現(xiàn)有交流12V的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)替代鹵素?zé)舻脑O(shè)計(jì)，美國國家半導(dǎo)體LM2734的主要優(yōu)勢(shì)是體積小、可靠性高、輸出電流高達(dá)1A，恰好適合鹵素?zé)魺艨谥睆叫〉奶攸c(diǎn)。 取代鹵素?zé)糁螅琇ED燈一般做成1W或3W。LED燈與鹵素?zé)粝啾扔袃纱髢?yōu)勢(shì)：(1)光源比較集中，1W照明所獲得的亮度等同于十幾瓦鹵素?zé)舻牧炼?，因此比較省電；(2) LED燈的壽命比鹵素?zé)糸L(zhǎng)。 LED燈的主要弱點(diǎn)是燈光的射角太窄，成本相對(duì)較高。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，由于LED燈的壽命較長(zhǎng)，所以還是具有非常大的成本優(yōu)勢(shì)。220V AC/DC轉(zhuǎn)換器(例如LM5021)主要鎖定

25、舞臺(tái)燈和路燈市場(chǎng)。 2. DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 目前，LED手電筒占據(jù)了DC/DC轉(zhuǎn)換器的絕大部分需求量。手電筒采用的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(yīng)用一直還存在一些難點(diǎn)，因?yàn)?W 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(yōu)勢(shì)。此外，由于3W LED燈的電流高達(dá)700mA，一次充電后的電池使用時(shí)間縮短。盡管如此，對(duì)于上述應(yīng)用國家半導(dǎo)體提供LM3475、LM2623A和LM3485等方案。 礦燈也是LED燈的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，它屬于特種照明行業(yè)，需要專業(yè)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，中國對(duì)LED在礦燈領(lǐng)域的應(yīng)用一直都很重視。

26、目前，LED設(shè)計(jì)行業(yè)存在對(duì)特種行業(yè)的需求認(rèn)識(shí)不足的問題，設(shè)計(jì)中常采用一些不切實(shí)際的、新奇的設(shè)計(jì)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(huán)境的各種需求，這可能是造成LED在礦燈市場(chǎng)的應(yīng)用一直沒有打開局面的重要原因。 對(duì)于礦燈LED應(yīng)用，美國國家半導(dǎo)體提供了豐富的DC/DC穩(wěn)壓器產(chǎn)品，包括LM3485、LM3478和LM5010。已經(jīng)用戶采用一顆1W的LED燈，周圍再放6顆普通的高亮度LED燈，構(gòu)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(yè)有著廣泛的發(fā)展前景，國家半導(dǎo)體為此提供完整的新型LED驅(qū)動(dòng)解決方案?；贚M2734的恒流驅(qū)動(dòng)電路 恒壓供電

27、的基本電路采用反饋電阻RFB1和RFB2，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，VFB也隨之變化，DC/DC穩(wěn)壓器通過感知VFB的變化，使輸出電壓維持在一個(gè)固定的電平：V0=(VFB*(RFB1+RFB2)/RFB1 (1) 在圖右邊電路中，DC/DC穩(wěn)壓器的FB是高阻輸入端，流經(jīng)LED的電流IF為：IF=VFB/RFB (2) 為保持IF恒定，DC/DC穩(wěn)壓器感知VFB，然后調(diào)整LED正端電壓，使流經(jīng)LED的電流保持恒定。這就是利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實(shí)現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)換的原理。 一般來說，DC/DC穩(wěn)壓器對(duì)VFB的變化有一個(gè)感知的范圍，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V

28、FB落在DC/DC穩(wěn)壓器容許的范圍內(nèi)。 以VFB等于1.25V為例，假設(shè)IF分別為15mA、350mA和700mA，采樣電阻的功耗將分別小于20mW、400mW和800mW。對(duì)于1W的LED來說，采樣電阻的功耗分別占到總電源消耗的2%、40%和80%。因此，采樣電阻的設(shè)計(jì)對(duì)提高LED的功效至關(guān)重要，它應(yīng)該選取盡可能小的數(shù)值。 由于直接將RFB連接FB端會(huì)造成RFB的功耗過大，所以在FB端和RFB之間放置一個(gè)運(yùn)算放大器，以放大RFB采集到的電壓VTAP。 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等于1

29、歐姆，則RFB的功耗為：PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W (4) 考慮運(yùn)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獲得恒流供電的同時(shí)，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(jīng)的電流也盡可能大。國家半導(dǎo)體按照這個(gè)原理工作的穩(wěn)壓器有LM2736和LM2734。從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設(shè)計(jì) LM2734是1A降壓型穩(wěn)壓器?；贚M2734的恒流驅(qū)動(dòng)電路利用LM321運(yùn)算放大器獲取采樣電阻Rset上的電壓，結(jié)合其它電阻和電容就可以構(gòu)成一個(gè)完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)際使用中，有些LE

30、D恒流驅(qū)動(dòng)電路可以直接從采樣電阻獲取反饋電壓，如圖所示。 圖中采樣電阻Rset決定了恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，而且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率有重要影響，因此仔細(xì)設(shè)計(jì)Rset對(duì)節(jié)省能源至關(guān)重要。圖中詳細(xì)設(shè)計(jì)文件請(qǐng)向國家半導(dǎo)體當(dāng)?shù)厥跈?quán)分銷商索取。 一般來說，如果要求LED驅(qū)動(dòng)電流的變化不超過標(biāo)稱值的5%至10%，那么采用精度為2%的電阻就足夠了。LED驅(qū)動(dòng)電流的典型波動(dòng)范圍是正負(fù)10%。由于采樣電阻消耗的功率較大，應(yīng)避免使用功率較小的貼片電阻。此外，LM3478方案適用于多個(gè)大功率LED的恒流驅(qū)動(dòng)，而基于LM5021的恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案則針對(duì)220V AC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。 一般來說，LED照明系統(tǒng)的熱源基本就是

31、LED燈本身的熱源，熱源太集中會(huì)產(chǎn)生熱損耗，因此LED驅(qū)動(dòng)電路不能與散熱系統(tǒng)緊貼在一起。建議采取下列散熱措施：LED燈采用鋁基板散熱；功率器件均勻排布；盡可能避免將LED驅(qū)動(dòng)電路與散熱部分貼近設(shè)計(jì)；抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗；提高LED芯片的散熱順暢性以降低熱阻抗。大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢(shì) 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(diào)的方向發(fā)展。由于大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢(shì)，所以發(fā)展前景非常廣闊。 LED照明系統(tǒng)需要借助于恒流供電，目前主流的恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案是利用線性或開關(guān)型DC/DC穩(wěn)壓器結(jié)合特定的反饋電路為L(zhǎng)ED提供恒流供電，根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設(shè)計(jì)的差異，又可以分為電感型LED驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)電容型LED驅(qū)動(dòng)器。電感型升壓驅(qū)動(dòng)器方案其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電