2 LED工作原理

　　要設(shè)計驅(qū)動電路,，首先要掌握其工作原理,。LED的亮度主要與VF、IF有關(guān),。LED的伏安特性見圖1,，其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電 流。當(dāng)正向電壓超過閾值(即導(dǎo)通電壓,，如圖約1.7V)時,，可近似認(rèn)為IF與VF成正比。由圖可知,，LED的最高IF可達(dá)1A,，而VF通常為2 V～4V。

　　圖1 LED的VF與IF 的關(guān)系

　　LED的正向壓降變化范圍比較大(可達(dá)1V以上),，而由上圖中的VF-IF曲線可知,，VF的微小變化會引起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變 化,。所以,，通常LED的發(fā)光特性都用電流的函數(shù)來描述，而不是電壓的函數(shù),。但一般的整流電路的輸出電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動也會變化,，由此可知，采用恒壓源 驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性,，并且影響LED的特性,。因此，LED驅(qū)動通常采用恒流源驅(qū)動,。

　　3 LED驅(qū)動技術(shù)

　　由LED的工作原理知道,，要使LED保持最佳的亮度狀態(tài)，需要恒流源來驅(qū)動,。驅(qū)動的任務(wù)既要保持恒流特性,，還要保持較低的功耗。為了滿足以上要求,，通常采用的控制電流的方法有：通過調(diào)節(jié)限流電阻的大小實現(xiàn)控制電流;通過調(diào)節(jié)限流電阻上的基準(zhǔn)電壓來調(diào)節(jié)電流;PWM調(diào)制實現(xiàn)電流控制,。LED的驅(qū)動技術(shù)與開關(guān)電源中應(yīng)用的技術(shù)十分類似，LED驅(qū)動電路是一種電源轉(zhuǎn)換電路,，但輸出的是恒定電流而非恒定電壓,。無論在任何情況下，都要輸出恒定而平均的電流,，紋波電流要控制在一定的范圍內(nèi)。

　　⑴　限流法

　　如圖2所示,，這是傳統(tǒng)的電路,。電網(wǎng)電壓通過降壓、整流,、濾波后,，通過電阻限流使LED穩(wěn)定工作。這種電路的致命缺點是：電阻R上的功耗直接影響了 系統(tǒng)的效率，再加上變壓器損耗,，系統(tǒng)效率約50%,。當(dāng)電源電壓在±10%的范圍內(nèi)變動時，流過LED的電流變化將≥25%,，LED上的功率變化超過 30%,。電阻限流的優(yōu)點是設(shè)計簡單、成本低,、無電磁干擾;但是電流會隨著VF的變化而改變亮度,，效率很低，散熱難,。

　　圖2 限流法

　　⑵　穩(wěn)壓法

　　圖3是在圖2的基礎(chǔ)上加了一個集成穩(wěn)壓元件MC7809,，使輸出端的電壓基本穩(wěn)定在9V，限流電阻R可用得很小,，不會 造成LED的電壓不穩(wěn),。但是，此電路效率還是低,。因為MC7809和R1上的壓降仍占很大比例,，其效率約為40%左右。這就稱不上是節(jié)能照明產(chǎn)品,。為了達(dá) 到既能使LED穩(wěn)定工作,，又能保持高的效率，應(yīng)采用低功耗的限流元件和電路來使系統(tǒng)效率提高,。線形穩(wěn)壓法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,、外部元件少、效率中等,、成本較低,。

　　圖3 穩(wěn)壓法

　　⑶　PWM法

　　PWM脈寬調(diào)制,，即用脈寬調(diào)制的方法,，改變LED驅(qū)動電流的脈沖占空比來控制光的亮度。是利用簡單的數(shù)字脈沖,，反復(fù)開 關(guān)LED驅(qū)動器的調(diào)光技術(shù),。使用者只需提供寬、窄不同的數(shù)字脈沖,，即可實現(xiàn)改變輸出電流,，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。此驅(qū)動電路的特點是,，通過一個電感器 將能量傳遞給負(fù)載,，通常是用一個PWM控制信號,，對MOSFET晶體管觸發(fā)導(dǎo)通和關(guān)斷來實現(xiàn)。通過改變PWM的占空比和電感器的充放電時間,，對輸入電壓和 輸出電壓的比率進(jìn)行調(diào)節(jié),。這類電路常見的結(jié)構(gòu)包括降壓、升壓,、降壓-升壓等類型,。優(yōu)點是高效、穩(wěn)定,，但容易產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲,，成本高，設(shè)計復(fù)雜,。

　　圖4 PWM法

　　圖4的PWM信號,，經(jīng)過三極管VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅(qū)動,，采用簡單的NPN三極管驅(qū)動放大電路,，以改 善MOS管的導(dǎo)通過程，減少驅(qū)動電源的功率,。當(dāng)驅(qū)動電路直接驅(qū)動MOS管時,，會引起被驅(qū)動MOS管的快速開通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)動MOS管漏源極間 電壓的振蕩,。一則引起射頻干 擾,，二則有可能造成MOS管遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題,，需在被驅(qū)動MOS管的柵極與驅(qū)動電路的輸出之間串聯(lián)一只無感電阻,。當(dāng)PWM波輸出 高電平時，三極管VQ1導(dǎo)通,，從而使MOS管的柵極電壓低于源極電壓,，MOS管的源極和漏極導(dǎo)通，LED點亮,。當(dāng)PWM波輸出低電平時,，VQ1截 止，LED熄滅,。

　　4 典型照明LED驅(qū)動方案

　　目前全球LED市場主要有日本的日亞化學(xué)(Nichia),、豐田合成(ToyodaGosei)、美國Cree公司,、歐洲飛利浦(PhilipsLumileds)和歐司朗(Osram)5家掌控,。照明LED驅(qū)動芯片制造商，國內(nèi)利用較多的有華潤矽威科技和臺灣點晶科技的產(chǎn)品,，國外利用較多的有安森美和美國國家半導(dǎo)體等芯片,。

　　(1)華潤矽威的LED驅(qū)動芯片

　　華潤矽威科技最新推出的PT4207采用SOP8封裝，是一款高壓降壓式LED驅(qū)動控制芯片,，能適應(yīng)從18V到450V的輸入電壓范圍,，可支持上 百個LED的串并聯(lián)驅(qū)動應(yīng)用，占空比最高可達(dá)100%,，以保證系統(tǒng)的高效能,。內(nèi)置輸入電壓補償功能，極大改善了PT4207在不同輸入電壓下的LED電流 穩(wěn)定性,。PT4207內(nèi)置一個350mA開關(guān),，并配備外部MOS開關(guān)驅(qū)動端口。對于350mA以下的應(yīng)用無需外部MOS開關(guān),，對于高于350mA的應(yīng)用可 采用外部MOS管擴展電流,。LED電流可通過外部電阻設(shè)定。通過多功能調(diào)光DIM管腳,，可使用電阻或DC電壓線性調(diào)節(jié)LED電流,，也可使用數(shù)字脈沖信號進(jìn) 行PWM調(diào)光。PT4207具有多種保護(hù)功能,，包括負(fù)載短路保護(hù),、開路保護(hù)、過溫度保護(hù)等,。適合AC/DC LED日光燈,、RGB背光LED驅(qū)動、LED環(huán)境裝飾燈等各種應(yīng)用,。PT4207的典型應(yīng)用線路如圖5所示,。

　　圖5 LED日光燈驅(qū)動芯片PT4207典型應(yīng)用線路

　　(2)安森美LED驅(qū)動芯片

　　安森美半導(dǎo)體NCL30000是一款極佳的產(chǎn)品，成本低,，性能佳,。這器件集成了PFC、DC-DC轉(zhuǎn)換和LED驅(qū)動器,，簡單易用,，其小型SOIC 封裝也有利于小巧設(shè)計和低成本。NCL30000采用緊湊型的8引腳表面貼裝封裝,，使用臨界導(dǎo)電模式反激架構(gòu),，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在寬AC輸入電壓范圍內(nèi) 提供大于0.95的高功率因數(shù),。典型應(yīng)用包括LED驅(qū)動器電源,、LED嵌燈、三端雙向可控硅開關(guān)組件(TRIAC)可調(diào)光LED燈及功率因數(shù)校正恒壓電 源,。其典型應(yīng)用原理圖如圖6所示,。

　　圖6 NCL30000 典型應(yīng)用原理圖

　　(3)美國國家半導(dǎo)體LED驅(qū)動芯片

　　恒流降壓型,，Vin范圍：LM3405 3V -15V/LM3405A 3V-22V;基準(zhǔn)電流源：200mV;工作頻率：0.550/1.6MHZ;PWM調(diào)光。典型應(yīng)用為：家用照明,、路燈,、廣告裝飾等。LM3405典型應(yīng)用原理圖見圖7,。

　　圖7 LM3405典型應(yīng)用原理圖

　　(4)臺灣點晶科技LED驅(qū)動芯片

　　DM413是全彩驅(qū)動芯片,，內(nèi)置灰度產(chǎn)生器，采用PWM脈寬調(diào)制方式,。專為LED 照明,、裝飾、大屏顯示等應(yīng)用而設(shè)計,。最大恒流輸出：100mA;最大輸出承受電壓： 17V;最大串行時鐘頻率：20MHz;芯片工作電壓：3.3V--5.5V,。DM413具有若干信號輸入輸出引腳及多個功能設(shè)定引腳。信號通過輸入接口 給DM413相應(yīng)的輸入引腳,。3個輸出引腳用于連接LED,，可分配給R，G,，B三個顏色,，同一個輸出引腳接相同顏色的LED，根據(jù)配色需要,，每個輸出引腳 可接一個或多個LED,。控制器輸出接口具有三條信號線：

一條串行數(shù)據(jù)輸出線,，一條時鐘信號輸出線及一條鎖存信號線,。這三條線分別接到驅(qū)動芯片相應(yīng)的3個引 腳上。和一般的串行移位機制相同,，在時鐘信號的控制下,，串行數(shù)據(jù)在驅(qū)動芯片內(nèi)部移位寄存。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收完畢,，控制器向驅(qū)動芯片發(fā)送鎖存信號,，使LED驅(qū) 動芯片鎖存已存儲的數(shù)據(jù)，同時會根據(jù)所存儲的數(shù)據(jù)驅(qū)動LED發(fā)光,。該方式控制LED以人眼分辨不出的高頻率快速亮滅,，根據(jù)芯片所存儲的數(shù)據(jù)設(shè)定亮和滅所占 的比例，即實現(xiàn)灰度級別的控制,。DM413的典型應(yīng)用原理圖見圖8,。

　　圖8 DM413典型應(yīng)用原理圖

　　5 結(jié)語

　　綜上所述可以看出，LED在工作時需要有穩(wěn)流,、穩(wěn)壓的元件,，但是此類元件應(yīng)具備自身承擔(dān)的分壓高但功耗要小的特性,。所以，應(yīng)盡可能采用電容,、電感或 有源開關(guān)電路等高效電路,，這樣才能保證LED系統(tǒng)的高效率。