大功率LED恒流驅動方案及實例
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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。而大功率LED燈會在2010年上海世博會上大量應用，因此電子和照明行業(yè)都非常關注LED照明新技術的發(fā)展應用。
恒流驅動和提高LED的光學效率是LED應用設計的兩個關鍵問題，本文介紹大功率LED的應用及其恒流驅動方案的選擇指南，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驅動器設計與散熱設計的注意事項。
驅動芯片的選擇
LED驅動只占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燈所應用的電源環(huán)境有AC/DC和DC/DC轉換器兩種方式，所以驅動芯片的選擇也要從這兩方面考慮。
圖1：可變電流和可變電壓基本電路
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(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LM2734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。
取代鹵素燈之后，LED燈一般做成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;(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轉換器(例如LM5021)主要鎖定舞臺燈和路燈市場。
2、 DC/DC轉換器
目前，LED手電筒占據(jù)了DC/DC轉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，國家半導體為此提供完整的新型LED驅動解決方。
圖3：基于LM2734的恒流驅動電路
高效的恒流驅動電路
恒壓供電的基本電路(圖1左)采用反饋電阻RFB1和RFB2，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20mW、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。
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)。
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。
圖4 從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設計
此外，LED照明系統(tǒng)的光學效率不僅僅取決于LED恒流驅動方案，還與整個系統(tǒng)的散熱設計密切相關。為縮小體積，某些LED恒流驅動系統(tǒng)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(tǒng)的熱源基本就是LED燈本身的熱源，熱源太集中會產(chǎn)生熱損耗，因此LED驅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(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)，可以為用戶提供全面的LED驅動器解決方案。
LED照明系統(tǒng)需要借助于恒流供電，目前主流的恒流驅動設計方案是利用線性或開關型DC/DC穩(wěn)壓器結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，又可以分為電感型LED驅動器和開關電
容型LED驅動器。電感型升壓驅動器方案其優(yōu)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，特別適用于驅動多只LED的應用。在大功率LED驅動器設計中，主要采用開關電容型LED驅動方案，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
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