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?cè)谑覂?nèi)外裝飾,、特種照明方面有著越來(lái)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(kāi)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(lái)說(shuō),，大功率LED的功率至少在1W以上,，目前比較常見(jiàn)的有1W、3W,、5W、8W和10W,。

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)的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(guó)國(guó)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)。

驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

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(guó)國(guó)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,。

圖1：利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實(shí)現(xiàn)從恒壓驅(qū)動(dòng)(左圖)到恒流驅(qū)動(dòng)(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(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(guó)國(guó)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),。

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?cè)谑覂?nèi)外裝飾、特種照明方面有著越來(lái)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(kāi)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(lái)說(shuō)，大功率LED的功率至少在1W以上,，目前比較常見(jiàn)的有1W、3W,、5W,、8W和10W。

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)的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(guó)國(guó)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),。

驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

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(guó)國(guó)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。

圖1：利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實(shí)現(xiàn)從恒壓驅(qū)動(dòng)(左圖)到恒流驅(qū)動(dòng)(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(yīng)用的鹵素?zé)舻碾娫矗F(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(guó)國(guó)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?，LED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(lái)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)主要鎖定舞臺(tái)燈和路燈市場(chǎng),。

圖2：在FB反饋端和RFB之間放置一個(gè)運(yùn)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,、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(guó)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(guó)對(duì)LED在礦燈領(lǐng)域的應(yīng)用一直都很重視,。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(wèn)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(méi)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(méi)有打開(kāi)局面的重要原因,。

對(duì)于礦燈LED應(yīng)用,，美國(guó)國(guó)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(guó)家半導(dǎo)體為此提供完整的新型LED驅(qū)動(dòng)解決方案,。

圖3：基于LM2734的恒流驅(qū)動(dòng)電路,。

高效的恒流驅(qū)動(dòng)電路

恒壓供電的基本電路(圖1左)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(guò)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(shí)現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)換的原理,。

一般來(lái)說(shuō),，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(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(lái)說(shuō)，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,。

圖4：從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設(shè)計(jì)。

由于直接將RFB連接FB端會(huì)造成RFB的功耗過(guò)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(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(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(guó)家半導(dǎo)體按照這個(gè)原理工作的穩(wěn)壓器有LM2736和LM2734。

LM2734是1A降壓型穩(wěn)壓器,?；贚M2734的恒流驅(qū)動(dòng)電路(圖3)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LED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4所示,。

圖3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3和圖4的詳細(xì)設(shè)計(jì)文件請(qǐng)向國(guó)家半導(dǎo)體當(dāng)?shù)厥跈?quán)分銷商索取。

一般來(lái)說(shuō),，如果要求LED驅(qū)動(dòng)電流的變化不超過(guò)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。

恒流驅(qū)動(dòng)與散熱的考慮

就電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言,，工程師在設(shè)計(jì)LED恒流驅(qū)動(dòng)電路時(shí)首先要了解LED的恒流參數(shù)。目前LED芯片的制造商很多,，國(guó)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(shè)計(jì)工程師要清楚地認(rèn)識(shí)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(dá)到40流明的亮度,，而有的只能達(dá)到20流明的亮度,，這是因?yàn)長(zhǎng)ED光學(xué)效率還取決于材料和制作工藝等諸多環(huán)節(jié)。

有些設(shè)計(jì)工程師為提高發(fā)光效率而采取加大驅(qū)動(dòng)電流的辦法,，例如,，對(duì)于同一顆1W LED,，加大驅(qū)動(dòng)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(yīng)升高了,。一旦溫度超過(guò)LED的限溫點(diǎn)，就會(huì)影響LED的壽命和可靠性,，這是設(shè)計(jì)恒流驅(qū)動(dòng)過(guò)程中需要注意的重要問(wèn)題,。

此外，LED照明系統(tǒng)的光學(xué)效率不僅僅取決于LED恒流驅(qū)動(dòng)方案,，還與整個(gè)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)密切相關(guān),。為縮小體積，某些LED恒流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將LED驅(qū)動(dòng)電路與散熱部分貼近設(shè)計(jì),，這樣容易影響可靠性,。

一般來(lái)說(shuō)，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(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,。

表1：大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢(shì)。

新應(yīng)用對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shì)(表1),，所以發(fā)展前景非常廣闊，其中最被看好的照明應(yīng)用是汽車,、醫(yī)療設(shè)備和儀器儀表及其它特種照明環(huán)境,。但這些應(yīng)用對(duì)LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)載保護(hù),、反相和過(guò)壓保護(hù)；待機(jī)功耗非常低,；低帶隙基準(zhǔn)以減少電流檢測(cè)損耗以及具有PWM調(diào)整亮度的功能等,。

針對(duì)這些需求，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司提供了全系列LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)表2),，可以為用戶提供全面的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)方案是利用線性或開(kāi)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(kāi)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(dòng)多只LED的應(yīng)用,。在大功率LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中,，主要采用開(kāi)關(guān)電容型LED驅(qū)動(dòng)方案，其優(yōu)點(diǎn)是LED兩端的電壓較高,、流過(guò)的電流較大,，從而獲得較高的功效及光學(xué)效率。先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電容技術(shù)還能夠提高效率,，因而在大功率LED驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用廣泛,。

表2：美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案一覽表。

本文小結(jié)

大功率LED照明技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景,，因而受到普遍的關(guān)注和投資者的追捧?，F(xiàn)階段，由于LED芯片設(shè)計(jì)和制造技術(shù)及材料等諸多因素的限制,，它暫時(shí)還不能完全取代傳統(tǒng)的白熾燈,，因而人們更為關(guān)注大功率LED在特種照明中的應(yīng)用。

本文首先介紹了特種照明的應(yīng)用環(huán)境,，然后,，詳細(xì)闡述了利用DC/DC穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)恒壓轉(zhuǎn)恒流設(shè)計(jì)的基本原理和實(shí)際案例，并說(shuō)明了大功率LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與散熱部分設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的事項(xiàng),，最后指出了大功率LED新應(yīng)用對(duì)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)提出的新要求,，給出了國(guó)家半導(dǎo)體公司的完整解決方案的指南，它有助于從事LED照明行業(yè)的電子設(shè)計(jì)工程師全面掌握最新的LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù),。