照明用LED驅(qū)動技術(shù)及應(yīng)用

1、照明用LED驅(qū)動技術(shù)及應(yīng)用i引言“低碳”生活是目前倡導(dǎo)的一種觀念，對于照明來說，LED的應(yīng)用就是具體體現(xiàn)。LED具有環(huán)保、節(jié)能、效率高、壽命長、安全可靠的優(yōu)勢，為此，必須了解 LED的使用條件、工作原理、驅(qū)動方法和典型應(yīng)用。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 V4V。if/mAVfA/圖1 LED的VF與IF的關(guān)系LED的正向壓降變化范圍

2、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)

3、電壓來調(diào)節(jié)電流；PW碉制實現(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)。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)電源電壓在土 10%勺范圍內(nèi)變動時，流過LED的電流變化將A 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

4、而改變亮度，效率很低，散熱難。二極管改為空心通直線，電容為平行直線，刪除+'號，符號改為斜體，腳注改為小寫正體穩(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MC780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)壓法二極管改為空心通直線，電容為平行直線，刪除 +'

5、;號，符號改為斜體，腳注改為小寫正體 PWMIPWM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MOSFE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的P

6、WM信號，經(jīng)過三極管VQ1的基極連接到P溝道MOSf的柵極上。P溝道MOS!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MOSf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MOST時，會引起被驅(qū)動MOSf的快速開通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)動 M0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 MOSf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M0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)PWK波輸出 高電平時，三極管VQ1導(dǎo)通，從而使M0管的柵極電壓低于源極電壓，MOST的源極和漏極導(dǎo)通，LED 點亮。當(dāng)PWK波輸出低電平時，VQ1截止，LED

7、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

8、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MO開關(guān)驅(qū) 動端口。對于350mA以下的應(yīng)用無需外部 MOS關(guān)，對于高于350mA的應(yīng)用可采用外部MO管擴(kuò)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/DCLED日光燈、RGBt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。r圖5 LED日光燈驅(qū)動芯片PT4207典型

9、應(yīng)用線路二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體（2）安森美LED驅(qū)動芯片安森美半導(dǎo)體NCL3000（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。NCL3000（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

10、圖二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體(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; PWI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。a I V削BOOST圖7LM3405典型應(yīng)用原理圖二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體(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PWI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

11、。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!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(jī)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

12、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)用原理圖二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體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。采用串聯(lián)式集成恒功 率輸出電路，可以使LED的光輸出在很寬的電源范圍內(nèi)保持恒定，但一般的IC電路會因此而使效率有所下降。采用有源開關(guān)電路，可以保證在較高的轉(zhuǎn)換效率下，實現(xiàn)