照明用LED驅(qū)動技術(shù)方案的探討
1 引言
LED具有環(huán)保、節(jié)能、效率高、壽命長、安全可靠的優(yōu)勢，在如今“低碳”生活中，它可發(fā)揮了不小的作用，照明現(xiàn)在基本都普及了LED。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，才能讓LED照明的應(yīng)用最大化。
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。當正向電壓超過閾值（即導(dǎo)通電壓，如圖約1.7V）時，可近似認為IF與VF成正比。由圖可知，LED的最高IF可達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)。[!--empirenews.page--]
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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
?、啤》€(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 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
?、恰WM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PWM波輸出低電平時，VQ1截 止，LED熄滅。[!--empirenews.page--]
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。 ?。?）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 行PWM調(diào)光。PT4207具有多種保護功能，包括負載短路保護、開路保護、過溫度保護等。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 ?。?）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)，以單段式拓撲結(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[!--empirenews.page--] （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 ?。?）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?？刂破鬏敵鼋涌诰哂腥龡l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)電源電壓大幅度變化時恒功率輸出。LED現(xiàn)今絕大多數(shù)芯片都可以從 0～100%的調(diào)制光度，并且可保證在整個調(diào)光過程保持較高光效，并且不損害LED的壽命。目前，針對光度控制方面，主要的兩種解決方案為線性調(diào)節(jié)LED 的電流（模擬調(diào)光）或在肉眼無法察覺的高頻下，讓驅(qū)動電流從0到目標電流值之間來回切換（數(shù)字調(diào)光）。利用脈沖寬度調(diào)變（PWM）來設(shè)定循環(huán)和工作周期可 能是實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的最簡單的方法。
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