LM2734大功率LED恒流驅(qū)動電路的設計精

1、大功率 LED 恒流驅(qū)動電路的設計 雖然大功率 LED 現(xiàn)在還不能大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈, 但它們在室內(nèi)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 恒流驅(qū)動器的設計技術, 對于開拓大功率 LED 的新應用 至關重要。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。已大批量應用的 有 1W 和 3W LED,而 5W、8W 和 10W LED 的應用相對較少。預計大功率 LED 燈會在 2008年奧運會 上大量應用,因此電子和

2、照明行業(yè)都非關注 LED 照明新技術的發(fā)展應用。恒流驅(qū)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 應用及其恒流驅(qū)動方案的選擇指南, 然后以美國國家半導體(NS的產(chǎn)品為例, 重點討論如何巧妙 應用 LED 恒流驅(qū)動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)動器設計與散熱 設計的注意事項。驅(qū)動芯片的選擇LED 驅(qū)動只占 LED 照明系統(tǒng)成本的很小部分,但它關系到整個系統(tǒng)性能的可靠性。目前,美國國 家半導體公司的 LED 驅(qū)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(nèi)和室外兩 種, 由于室內(nèi) LED 燈

3、所應用的電源環(huán)境有 AC/DC和 DC/DC轉(zhuǎn)換器兩種方式, 所以驅(qū)動芯片的選擇 也要從這兩方面考慮。圖 1:利用 DC/DC穩(wěn)壓器 FB 反饋端實現(xiàn)從恒壓驅(qū)動(左圖到恒流驅(qū)動(右圖的轉(zhuǎn)換。1. AC/DC轉(zhuǎn)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(xiàn)有 的 LED 可以在保留現(xiàn)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 L M2734的主要優(yōu)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。 2004.01.01研發(fā)部 paulzheng取代鹵素燈之后, LED 燈一般做成

4、 1W 或 3W。LED 燈與鹵素燈相比有兩大優(yōu)勢:(1光源比較集中 , 1W 照明所獲得的亮度等同于十幾瓦鹵素燈的亮度, 因此比較省電; (2LED 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,由于 LED 燈的壽命較長, 所以還是具有非常大的成本優(yōu)勢。 220V AC/DC轉(zhuǎn)換器(例如 LM5021主要鎖定舞臺燈和路燈市場。圖 2:在 FB 反饋端和 RFB 之間放置一個運算放大器以降低功耗。2. DC/DC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

5、、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(yōu)勢。 此外 , 由于 3W LED 燈的電流高達 700mA,一次充電后的電池使用時間縮短。盡管如此,對于上述應用 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,它屬于特種照明行業(yè),需要專業(yè)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(yè)存在對特種行業(yè)的需求認識不足的問題, 設計中常采用一些不切實際的、新奇的設計方案。例如,將 LED 燈和電池一起

6、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 在礦燈市場的應用一直沒有打開局面的 重要原因。對于礦燈 LED 應用, 美國國家半導體提供了豐富的 DC/DC穩(wěn)壓器產(chǎn)品, 包括 LM3485、LM3478和L M5010。 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?？偠灾?LED 燈在燈飾和特種照明行業(yè)有著廣泛的發(fā)展前景,國家半導體為此提供完整的新型 LED驅(qū)動解決方案。 圖 3:基于 LM2734的恒流驅(qū)動電路。高效的恒流驅(qū)動電路恒壓供電的基本電路(圖 1左采用反饋電阻 RFB1和 RF

7、B2,當負載電流發(fā)生變化時,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固定的電平:V0=(VFB*(RFB1+RFB2/RFB1(1在圖 1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 反饋端實現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)換的原理。一般來說,DC/DC穩(wěn)壓器對 VFB 的變化有一個感知的范圍,一旦 LED 選定,其工作電流 IF 的大 小也就確定了,所選的電阻

8、要保證 VFB 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 IF 分別為 15mA、350mA 和 700mA, 采樣電阻的功耗將分別小于 20m W、400mW 和 800mW。 對于 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,采樣電阻的設計對提高 LED 的功效至關重要,它應該選取盡可能小的數(shù)值。 圖 4:從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設計。由于直接將 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 采集到的電壓 VTAP(圖 2

9、。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 獲得恒流供電的同時, 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(jīng)的電流也盡可能大。國家半導體按照這個原理工作的穩(wěn)壓器有 LM2736和 LM2734。LM2734是 1A 降壓型穩(wěn)壓器。 基于 LM2734的恒

10、流驅(qū)動電路(圖 3利用 LM321運算放大器獲取采樣 電阻 Rset 上的電壓,結(jié)合其它電阻和電容就可以構(gòu)成一個完整、高效率的大功率 LED 恒流驅(qū)動 電路。在實際使用中,有些 LED 恒流驅(qū)動電路可以直接從采樣電阻獲取反饋電壓,如圖 4所 示 。圖 3中采樣電阻 Rset 決定了恒流驅(qū)動電路的設計,而且對整個系統(tǒng)的效率有重要影響,因此仔 細設計 Rset 對節(jié)省能源至關重要。圖 3和圖 4的詳細設計文件請向國家半導體當?shù)厥跈?quán)分銷商 索取。一般來說,如果要求 LED 驅(qū)動電流的變化不超過標稱值的 5%至 10%,那么采用精度為 2%的電阻 就足夠了。LED 驅(qū)動電流的典型波動范圍是正負 10%

11、。由于采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方案適用于多個大功率 LED 的恒流驅(qū)動,而基于 LM5021的恒流驅(qū)動設計方案則針對 220V AC/DC轉(zhuǎn)換器的應用。恒流驅(qū)動與散熱的考慮就電子系統(tǒng)設計而言,工程師在設計 LED 恒流驅(qū)動電路時首先要了解 LED 的恒流參數(shù)。目前 LED 芯片的制造商很多, 國內(nèi)外 LED 的差異主要在于相同電參數(shù)的情況下, 流明數(shù)可能不同, 因此設 計工程師要清楚地認識到 LED 功率并不是決定發(fā)光效率的唯一參數(shù)。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

12、是因為 LED 光學效率還取 決于材料和制作工藝等諸多環(huán)節(jié)。有些設計工程師為提高發(fā)光效率而采取加大驅(qū)動電流的辦法,例如,對于同一顆 1W LED,加大 驅(qū)動電流后, 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, 這是設計恒流驅(qū)動過程中需要注意的重要問 題。此外,LED 照明系統(tǒng)的光學效率不僅僅取決于 LED 恒流驅(qū)動方案,還與整個系統(tǒng)的散熱設計密切 相關。 為縮小體積, 某些 LED 恒流驅(qū)動系統(tǒng)將 LED 驅(qū)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(tǒng)的

13、熱源基本就是 LED 燈本身的熱源, 熱源太集中會產(chǎn)生熱損耗, 因此 LE D 驅(qū)動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 芯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(yōu)勢。新應用對驅(qū)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(diào)的方向發(fā)展。由于大功率 LED 在壽命上具有很大優(yōu)勢(表 1,所以發(fā)展前景非常廣闊,其中最被看好的

14、照明應 用是汽車、 醫(yī)療設備和儀器儀表及其它特種照明環(huán)境。 但這些應用對 LED 驅(qū)動系統(tǒng)設計也提出了新的要求，包括：輸入電壓范圍一般要求為 6V 到 24V；具有沖擊負載保護、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(diào)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(qū)動器設計方案(見表 2，可以為用戶提 供全面的 LED 驅(qū)動器解決方案。 LED 照明系統(tǒng)需要借助于恒流供電， 目前主流的恒流驅(qū)動設計方案是利用線性或開關型 DC/DC 穩(wěn) 壓器結(jié)合特定的反饋電路為 LED 提供恒流供電， 根據(jù) DC/DC 穩(wěn)壓器外圍電路設計的差異

15、， 又可以 分為電感型 LED 驅(qū)動器和開關電容型 LED 驅(qū)動器。 電感型升壓驅(qū)動器方案其優(yōu)點是驅(qū)動電流較高 ， LED 的端電壓較低、功耗較低、效率保持不變，特別適用于驅(qū)動多只 LED 的應用。在大功率 LED 驅(qū)動器設計中，主要采用開關電容型 LED 驅(qū)動方案，其優(yōu)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 L ED 驅(qū)動中應用廣泛。 表 2：美國國家半導體的 LED 驅(qū)動器解決方案一覽表。 本文小結(jié) 大功率 LED 照明技術有著廣闊的發(fā)展前景，因而受到普遍的關注和投資者的追捧?，F(xiàn)階段，由于 LED 芯片設計和制造技術及材料等諸多因素的限制，