LM2734大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)精

1、大功率 LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 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(duì)較少。預(yù)計(jì)大功率 LED 燈會(huì)在 2008年奧運(yùn)會(huì) 上大量應(yīng)用,因此電子和

2、照明行業(yè)都非關(guān)注 LED 照明新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。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, 然后以美國國家半導(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,美國國 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

3、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),美國國家半導(dǎo)體 L M2734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)。 2004.01.01研發(fā)部 paulzheng取代鹵素?zé)糁? LED 燈一般做成

4、 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; (2LED 燈的壽命比鹵素?zé)糸L 。LED 燈的主要弱點(diǎn)是燈光的射角太窄,成本相對(duì)較高。但從長遠(yuǎn)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(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

5、、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)?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(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

6、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(chǎng)的應(yīng)用一直沒有打開局面的 重要原因。對(duì)于礦燈 LED 應(yīng)用, 美國國家半導(dǎo)體提供了豐富的 DC/DC穩(wěn)壓器產(chǎn)品, 包括 LM3485、LM3478和L M5010。 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?？偠灾?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(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 RF

7、B2,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。一般來說,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

8、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 20m W、400mW 和 800mW。 對(duì)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(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

9、。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。 基于 LM2734的恒

10、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)向國家半導(dǎo)體當(dāng)?shù)厥跈?quán)分銷商 索取。一般來說,如果要求 LED 驅(qū)動(dòng)電流的變化不超過標(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%

11、。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

12、是因?yàn)?LED 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 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)過程中需要注意的重要問 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。一般來說, LED 照明系統(tǒng)的

13、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 LE D 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

14、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，美國國家半導(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(jì)的差異

15、， 又可以 分為電感型 LED 驅(qū)動(dòng)器和開關(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)的開關(guān)電容技術(shù)還能夠提高效率，因而在大功率 L ED 驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用廣泛。 表 2：美國國家半導(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，