led驅動電源國內常用哪些設計方案

【專家解說】：、LED有哪些優(yōu)點？

　　★高效節(jié)能　一千小時僅耗幾度電（普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時耗1度電）

　　★超長壽命　半導體芯片發(fā)光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達五萬小時（普通白熾燈使用壽命僅有一千小時，普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時）

　　★ 光線健康　光線中不含紫外線和紅外線，不產生輻射（普通燈光線中含有紫外線和紅外線）

　　★ 綠色環(huán)?！〔缓碗扔泻υ?，利于回收和利用，而且不會產生電磁干擾（普通燈管中含有汞和鉛等元素，節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會產生電磁干擾）

　　★ 保護視力　直流驅動，無頻閃（普通燈都是交流驅動，就必然產生頻閃）

　　★ 光效率高，發(fā)熱?。?0%的電能轉化為可見光（普通白熾燈80%的電能轉化為熱能，僅有20%電能轉化為光能）

　　★ 安全系數高　所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小，不產生安全隱患，可用于礦場等危險場所

　　★ 市場潛力大　低壓、直流供電，電池、太陽能供電即可，可用于邊遠山區(qū)及野外照明等缺電、少電場所。

    三、權威預測

　　半導體照明將在未來5-10年內取代現有傳統(tǒng)光源。

　　“未來白光LED將更加便宜，市場總體容量將快速增長。”許志鵬樂觀地指出，據美國能源部預測，2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈被LED替代，可能形成一個500億美元的大產業(yè)。而日本提出，LED將在今年大規(guī)模替代傳統(tǒng)白熾燈。日、美、歐、韓等國均已正式啟動LED照明戰(zhàn)略計劃。

　　美國能源部預測，到2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈將被嵌在芯片上的發(fā)光體---半導體燈替代。日本計劃到2008年用這種半導體燈替代50%的傳統(tǒng)照明燈具?？茖W家測量發(fā)現，在同樣亮度下，LED的電能消耗光二極管（簡稱LED）的發(fā)展已取得巨大進步：已從純粹用作指示燈發(fā)展為光輸出達100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本將降至與傳統(tǒng)冷陰極熒光燈（簡稱CCFL）類似的水平。這使得人們對LED的下述應用興趣日濃：汽車照明燈、建筑物內外的LED光源、以及筆記本電腦或電視機LCD屏的背光。大功率LED技術的發(fā)展提高了設計階段對散熱的要求。就像所有其它半導體一樣，LED不能過熱，以免加速輸出的減弱，或者導致最壞狀況：完全失效。與白熾燈相比，雖然大功率LED具有更高效率，但是輸入功率中相當大的一部分仍變成熱能而非光能。因而，可靠的運作就需要良好的散熱，并要求在設計階段就考慮高溫環(huán)境。設計LED驅動電路尺寸時，也必須考慮溫度因素：必須選擇其正向電流，以確保即使環(huán)境溫度達到最高值，LED芯片也不會過熱。隨著溫度的升高，就需要通過降低最高容許電流，即降低額定值，來實現降溫。LED制造商把降額曲線納入其產品規(guī)格中。有關此類曲線，參見圖1。

　　

　　圖1 LED降頻曲線

　利用無溫度依賴性的電源運行LED存在弊端：在高溫區(qū)域內，LED則超出規(guī)格范圍運行。此外，當處于低溫區(qū)域時，照明源就由明顯低于最大容許電流（參見圖1紅色曲線）的電流供電。如圖1的綠色曲線所示，通過LED驅動電路中的正溫度系數熱敏電阻（簡稱PTC熱敏電阻）來控制LED電流是一個重大改進。這至少可以帶來下列好處：

　　*在室溫下增加正向電流，從而增加光輸出

　　*因為可以減少LED使用量，所以可以使用價格較低的驅動集成電路（簡稱IC）乃至一個不帶溫度管理的驅動電路來節(jié)約成本

　　*實現無需IC控制的驅動電路設計，此電路亦可使LED電流隨溫度改變

　　*能夠使用較便宜減額值較高安全裕量較小的LED

　　*過熱保護功能提高了可靠性

　　*帶散熱片的熱機械設計更為簡單

　　大多數LED用驅動電路形式具有一個共同點：即流經LED的正向電流是通過固定電阻進行設置（參見圖2）。一般說來，流經LED ILED的電流取決于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不隨溫度而變，因此LED電流也不受溫度影響。

　　將固定電阻換成隨溫度變化的電路，即可實現對LED電流的溫度管理。下列圖表闡明了如何使用PTC熱敏電阻來改善標準電路。

 　　示例1：有反饋回路的恒流源

　　圖2中電路1為常用的驅動電路。其恒流源包括一條反饋回路。當調節(jié)電阻兩端的反饋電壓達到因IC而異的VFB時，LED電流就不變了。LED電流因而被穩(wěn)定在ILED=VFB/Rout。

　　

　　圖2 LED的傳統(tǒng)驅動方式

　　圖3所示為上一電路改良型：此電路借由PTC熱敏電阻，生成隨溫度變化的LED電流。通過正確選擇PTC熱敏電阻、Rseries以及 RparallEL，此電路與專用驅動IC和LED組合相匹配。其中，LED電流可經由下列方程式計算得出：

　　圖3所示電路闡明了LED電流（參見圖3）的溫度依賴性。與針對最高運行溫度為60度的恒流源相比較，使用PTC熱敏電阻后LED電流可在0度和40度之間提升達40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

　　

　　圖3 采用PTC熱敏電阻的溫度監(jiān)測和電流降頻

示例2：調節(jié)電阻與LED無串聯的恒流源

　　圖2所示電路2為另一常見的恒流源電路：電流通過連接驅動IC的電阻得以確定。然而在這種情況下，調節(jié)電阻并未與LED串聯。Rset和 ILED之間的比率由IC規(guī)格明確。因此，運用20KΩ的串聯電阻和TLE4241G型驅動IC，最終產生的LED電流為30mA。圖4所示為標準電路改良型，其中也含有一個PTC熱敏電阻，盡管此處采用WHPTC熱敏電阻。在感測溫度，元件電阻可達4.7KΩ，且容許誤差值為±5℃（標準系列） 或±3℃（容許誤差值精確系列）。

　　圖4所示為隨外界溫度而變化的LED電流。固定電阻Rseries容許誤差范圍小，在低溫時支配總電阻。只有在低于PTC熱敏電阻的感測溫度大約15 K時，由于PTC熱敏電阻的阻值開始增加，電流才會開始下降。在感測溫度（總電阻=Rseries+RPTC=19.5KΩ+4.7KΩ=24.2KΩ） 時的電流大約為23mA。PTC電阻在溫度更高時急劇上升，迅速引發(fā)斷路，從而避免因溫度過高出現故障。

　　

　　圖4 無分流測量之溫度記錄

　　示例3：無IC簡單驅動電路

　　如圖2所示電路3，LED也可在無驅動IC的情況下工作。圖示電路是通過車用電池驅動單一200mA LED。穩(wěn)壓器生成5 V的穩(wěn)定電源電壓Vstab，以避免電源電壓出現波動。LED在Vstab處運作，電流則通過與LED串聯的電阻元件Rout決定。在這類電路中，通過下一則等式可算出獨立于溫度的正向電流，在此等式中，VDiode是一個LED的正向電壓：

　　另一做法是將WHPTC的徑向引線式PTC熱敏電阻以及兩個固定電阻相組合后，替代上述固定電阻，如圖所示。

　　由于LED電流的絕大部分流經PTC熱敏電阻本身，因此需要選擇一個較大的徑向引線式元件。PTC將因為流經電阻本身的電流而導致發(fā)熱，因此會一直減少電流，無論環(huán)境溫度為何（如圖5所示）。并聯兩個或更多片式PTC熱敏電阻會將電流分流，但此方案仍存在局限性。

 

圖5 無需IC的溫度補償驅動電路

電流值主要是通過適當選擇兩個固定電阻來設置的。這兩個電阻也在改進電路方面也起到重要作用，因為它們將產生的LED正向電流的允差保持在較低水平。這在正常工作溫度范圍內尤其重要，因為此時PTC熱敏電阻本身的阻值允差仍較高。第二個并聯固定電阻也能確保PTC不會在極端高溫情況下徹底關閉 LED，因此，電流不會降至低于下列等式計算的所得值：

　　這項性能在例如汽車電子這樣的應用中極其重要，因為安全要求不允許照明燈徹底關閉。

　　背景資料：LED的溫度依賴性

　　像所有半導體一樣，LED的最高容許結點溫度不能超過，以免導致過早老化或者完全失效。如果結點溫度要保持在臨界值以下，那么外界溫度升高時，最高容許正向電流則必須下降。不過，如果運用散熱器，在特定的外界溫度時正向電流可以增加。LED的光輸出隨著芯片結點溫度的升高而下降。上述情況主要發(fā)生在紅色和黃色LED，白色LED則與溫度關系較小。光照效率和正向電流保持同步增長，不過，安裝在結層和環(huán)境之間的LED所具備的高熱阻率可以降低乃至逆轉這種作用，這是因為隨著結點溫度的上升，發(fā)射光會降低。

　　此外，當結點溫度上升且LED正向電壓與溫度保持同步增長時，發(fā)射光的主波長會以+0.1 nm / K的典型速率增長。各種白光LED驅動電路特性評比 1996年，日亞化學的中村氏發(fā)現藍光LED之后，白光LED就被視為照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M件，因此，有關白光LED性能的改善與商品化應用，立即成為各國研究的焦點。目前，白光LED已經分別應用于公共場所的步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產品、液晶顯示器等領域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率的特性，一般認為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，因此，各廠商陸續(xù)推出白光LED專用驅動電路與相關組件。鑒于此，本文就 LED專用驅動電路的特性與今后的發(fā)展動向進行簡單闡述。 1 定電流驅動的理由

　　1.1 白光LED的光度以順向電流規(guī)范

　　白光LED的順向電壓通常被規(guī)范成20mA時，最小為3.0V，最大為4.0V，也就是若單純施加一定的順向電壓時，順向電流會作大范圍的變化。

　　

　　圖1是從A、B兩家LED企業(yè)的產品中隨機取三種白光LED樣品進行順向電壓與順向電流特性檢測的結果。根據檢測結果顯示，若利用3.4V順向電壓驅動上述六種白光LED時，順向電流會在10~44mA范圍內大幅變動。表1為白光LED的電氣與光學特性。

   

　　由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測的，所以，為獲得預期的亮度與色度，通常是用定電流驅動。

　　

　　表2 為光學坐標的等級（rank）（IF=25mA，Ta=250C）。

　　1.2 避免順向電流超越容許電流值

　　為確保白光LED的可靠性，基本上就是需要設法避免順向電流超過白光LED的絕對最大設計值（定格值）。

　　

　　圖2中，白光LED的定格最大順向電流為30mA，隨著周圍溫度的上升，容許順向電流則持續(xù)衰減，如果周圍溫度為50℃，通常順向電流就不能超過20mA。此外，利用定電壓的驅動方式不易控制流入LED的電流值，因此就無法維持LED的可靠性。

    2 白光LED的驅動方法

　　

　　圖3是驅動白光LED常用的四種電源電路；圖4是上述六種隨機取樣白光LED穩(wěn)定后的ReguLation精度特性。

　　圖4的測試結果顯示，ReguLator的負載特性出現在白光LED的VF角落上，即圖中的交叉點就是各白光LED的穩(wěn)定動作點。

　2.1 使用電壓ReguLator的驅動方式

　　圖3（a）的電路分別使用可以控制LED電流的電壓ReguLator與BaLLast電阻，這種電路的優(yōu)點是電壓ReguLator種類豐富，設計者可以選擇的自由度較大，而且與電壓ReguLator、LED的接點只有一點；缺點是BaLLast造成的電力損失會導致效率惡化。此外，LED的順向電流也無法獲得精密控制。

　　圖4（a）中可以看出，隨機取樣六個白光LED的順向電流，從14.2mA到18.4mA分布范圍非常廣，因此，A廠商LED的（平均值）順向電流高達2.0mA。相比之下，圖4（b）電路使用的ReguLator雖然有小型、低成本的優(yōu)點，缺點是可能會無法滿足性能與可靠性的要求，也就是說本電路的實用性相對較弱。

　　2.2 使用定電流輸出的電壓ReguLator驅動方式

　　圖3（b）的電路雖然可以使流入LED的所有電流穩(wěn)定化，不過為了匹配（Matching）各LED的電氣特性，電路中特別設置了一組 BaLLast電阻。

　　圖3（b）中的MAX1910屬于定電流輸出型的電壓ReguLator，雖然本電路使用同廠商、同批號（Lot）的白光LED，獲得了極佳的匹配性，不過，在使用不同廠商與批號的LED時，就會出現很大的特性差異分布。本電流Regu-Lator使用類似圖3（a）的方式控制驅動電流，不過它卻可以使BaLLast電阻的消費電力降低一半左右。

　圖4（b）的測試結果顯示，流入六個隨機取樣白光LED的電流，從15.4mA到19.6mA，變化范圍非常大。因此，A廠商與B廠商兩者的 LED是以平均17.5mA的電流驅動。此電路的缺點是BaLLast電阻造成的電力損失有殘留之虞，而且又無法獲得LED電流的匹配性；不過整體而言，本電路兼具動作特性與簡潔性，所以具有相當程度的使用價值。

　　2.3 使用輸出型的MuLti　PuLL電流Regu-Lator的驅動方式

　　圖3（c）的電路可以使流入LED的電流各自穩(wěn)定化，因此不需要使用BaLLast電阻，電流的精度與匹配性ReguLator則由各自的電流 ReguLator支配。

　　圖3（c）中的MAX1570　IC可以使上述電流ReguLation達成2％標準的電流精度，與0.3％標準的電流匹配性等目標。

　　由MAX1570　IC構成的電流ReguLator為低Drop　Out　Type，因此它的動作效率非常高。圖4（c）的測試結果顯示，使用圖3（c）的驅動電路時，流入六個隨機取樣白光LED穩(wěn)定化的電流為17.5mA。

　　雖然ReguLator與LED之間需要四個連接端子，不過此電路不需要BaLLast電阻，所以可以有效抑制封裝面積，因此非常適合應用在封裝空間極為狹窄的小型液晶面板等領域。

 　　2.4 使用升壓型電流ReguLator驅動的方式

　　圖3（d）的電路是利用可以使電流穩(wěn)定化的電感（Inductor），構成所謂的高效率Step　Up　Converter。本電路的最大特點是　Feed　Back　ThreshoLd電壓，可以減少電流檢測用電阻的電力損失。此外，LED采用串聯方式連接，所以流入白光LED的電流即使是在各種要求下，都能夠與LED完全取得匹配。有關電流的精度基本上取決于Regu-Lator的Feed　Back　ThreshoLd精度，因此不會受到LED順向電壓的影響。

　　由MAX1848與MAX1561　IC構成的電流ReguLator的效率（PLED/PIN）分別是：三個 LED＋MAX1848，87％；六個LED＋MAX-1561， 84％。

　　Step　Up　Converter的另一優(yōu)點是Regu-Lator與LED之間需要兩個連接端子，而且LED的使用數量不會受到Step Up　Converter種類的影響，這意味著設計者會擁有更大的選擇空間。因此，Step　Up　Converter廣泛應用在各種尺寸的液晶面板；電路的缺點是電感外形高度、組件成本偏高，有EMI輻射干擾。