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(yīng)用,，因此掌握大功率LED恒流驅(qū)動器的設(shè)計技術(shù),，對于開拓大功率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(yīng)用的有1W和3W LED,，而5W、8W和10W LED的應(yīng)用相對較少,。預(yù)計大功率LED燈會在2010年上海世博會上大量應(yīng)用,，因此電子和照明行業(yè)都非常關(guān)注LED照明新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。 中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明

恒流驅(qū)動和提高LED的光學效率是LED 應(yīng)用設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題,，本文首先介紹大功率LED的應(yīng)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(yīng)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(shè)計與散熱設(shè)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(guān)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(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(shè)計。針對替代鹵素燈的設(shè)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(zhuǎn)換器(例如LM5021)主要鎖定舞臺燈和路燈市場,。

圖2：RFB計算

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，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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)用一直都很重視,。目前,，LED設(shè)計行業(yè)存在對特種行業(yè)的需求認識不足的問題，設(shè)計中常采用一些不切實際的,、新奇的設(shè)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(yīng)用一直沒有打開局面的重要原因。

對于礦燈LED應(yīng)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(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(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(shè)計對提高LED的功效至關(guān)重要,，它應(yīng)該選取盡可能小的數(shù)值。

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(shè)計

LM2734是1A降壓型穩(wěn)壓器,。基于LM2734的恒流驅(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(shè)計，而且對整個系統(tǒng)的效率有重要影響,，因此仔細設(shè)計Rset對節(jié)省能源至關(guān)重要,。圖3和圖4的詳細設(shè)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%,。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方案適用于多個大功率LED的恒流驅(qū)動,，而基于LM5021的恒流驅(qū)動設(shè)計方案則針對220V AC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

恒流驅(qū)動與散熱的考慮

就電子電路系統(tǒng)設(shè)計而言,，工程師在設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計密切相關(guān)。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(shè)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(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(shè)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(yīng)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LED驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)計方案是利用線性或開關(guān)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(shè)計的差異，又可以分為電感型LED驅(qū)動器和開關(guān)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(yīng)用。在大功率LED驅(qū)動器設(shè)計中,，主要采用開關(guān)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(guān)電容技術(shù)還能夠提高效率，因而在大功率LED驅(qū)動中應(yīng)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(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。現(xiàn)階段，由于LED芯片設(shè)計和制造技術(shù)及材料等諸多因素的限制,，它暫時還不能完全取代傳統(tǒng)的照明燈具,，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,，詳細闡述了利用DC/DC穩(wěn)壓器實現(xiàn)恒壓轉(zhuǎn)恒流設(shè)計的基本原理和實際案例，并說明了大功率LED驅(qū)動器設(shè)計與散熱部分設(shè)計應(yīng)該注意的事項,，最后指出了大功率LED新應(yīng)用對驅(qū)動器設(shè)計提出的新要求,，給出了國家半導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)計工程師全面掌握最新的LED驅(qū)動器系統(tǒng)設(shè)計技術(shù),。