照明用LED光源的VF電壓都很低，一般VF=2.75-3.8V，IF在15-1400mA;因此LED驅(qū)動(dòng)IC的輸出電壓是VFXN或VFX1,IF恒流在15-1400mA。LED燈具使用的LED光源有小功率(IF=15-20mA)和大功率(IF>200mA))二種，小功率LED多用來(lái)做LED日光燈、裝飾燈、格柵燈;大功率LED用來(lái)做家庭照明燈、射燈、水底燈、洗墻燈、路燈、隧道燈、汽車(chē)工作燈等。功率LED光源是低電壓、大電流驅(qū)動(dòng)的器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過(guò)LED的電流大小決定，電流過(guò)強(qiáng)會(huì)引起LED光的衰減，電流過(guò)弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此，LED的驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。在LED照明領(lǐng)域，要體現(xiàn)出節(jié)能和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，選擇好LED驅(qū)動(dòng)IC至關(guān)重要，沒(méi)有好的驅(qū)動(dòng)IC的匹配，LED照明的優(yōu)勢(shì)無(wú)法體現(xiàn)。

1 LED工作要素

LED工作的主要參數(shù)是VF、IF，其它相關(guān)的是顏色/色溫/波長(zhǎng)/亮度/發(fā)光角度/效率/功耗等。LED是一個(gè)P-N結(jié)二極管，只有施加足夠的正向電壓才能傳導(dǎo)電流。VF正向電壓是為L(zhǎng)ED發(fā)光建立一個(gè)正常的工作狀態(tài)，IF正向電流是促使LED發(fā)光，發(fā)光亮度與流過(guò)的電流成正比例。LEDVF標(biāo)稱(chēng)電壓：3.4V±0.2V。

LEDIF工作電流按應(yīng)用需要選用，各檔不能混用。

LED燈用各檔LED電流見(jiàn)下表：

2 大功率照明用LED

大功率照明用LED其封裝從成品來(lái)看是單顆芯片的，其實(shí)是用N顆LED管芯封裝在一個(gè)單位里的。它們的排列組合是串并聯(lián)，它們是N個(gè)串聯(lián)，再N個(gè)并聯(lián)，然后由二點(diǎn)聯(lián)接電源(圖1)。選用時(shí)要特別注意它的VF和IF。

圖1 大功率照明用LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 LED燈具驅(qū)動(dòng)原理

LED燈具驅(qū)動(dòng)需要先將高壓的交流電變換成低壓的交流電(AC/AC)，然后將低壓的交流電經(jīng)橋式整流變換成低壓的直流電(AC/DC)，再通過(guò)高效率的DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器降壓和變換成恒流源，輸出恒定的電流驅(qū)動(dòng)LED光源。LED光源是按燈具的設(shè)計(jì)要求由小功率或大功率LED多串多并而組成。每串的IF電流是按所選用的LED光源IF要求設(shè)計(jì)，總的正向電壓△VF是N顆LED的總和。

LED燈具驅(qū)動(dòng)原理如圖2所示。

LED燈具選用36V以下的交流電源可以考慮非隔離供電，如選用220V和100V的交流電源應(yīng)考慮隔離供電。

圖2 LED燈具驅(qū)動(dòng)原理

4 LED燈具的低壓驅(qū)動(dòng)

目前MR11、MR16射燈、水底燈、洗墻燈、路燈、隧道燈、汽車(chē)工作燈等LED燈具大多選用散熱較好的自帶銅基或鋁基板的1W、3W大功率LED光源，使用AC/DC12-36V電源，因而需要使用DC/DC的降壓(Buck)+恒流給LED提供VF和IF。LED燈具大多使用低壓電源，因此在這類(lèi)燈具的電路設(shè)計(jì)上，LED的串聯(lián)個(gè)數(shù)在1-9顆，尤以1-3顆為常見(jiàn)。串聯(lián)的總△VF應(yīng)低于電源Vin。如三顆LED串聯(lián)，△VF=3.4VX3=10.2V。在Vin>12V，能正常工作。MR11、MR16射燈常見(jiàn)的是1WX3串聯(lián)或3WX1;水底燈常見(jiàn)的是1WX3串聯(lián)2-3并，三個(gè)一組;洗墻燈常見(jiàn)的是1WX7-9串聯(lián);路燈常見(jiàn)的是1WX9串聯(lián)3并，4--6個(gè)一組;、汽車(chē)工作燈常見(jiàn)的是1WX3-6串聯(lián)3并。當(dāng)然LED的串并聯(lián)的方案是多種多樣的，串聯(lián)個(gè)數(shù)與其工作電壓(Vin)有關(guān)，這里就DC12-36V工作電壓而言。目前1W的LED光源散熱較好，因此選用較多。

4.1 LED燈具對(duì)低壓驅(qū)動(dòng)芯片的要求

1)驅(qū)動(dòng)芯片的標(biāo)稱(chēng)輸入電壓范圍應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足DC8-40V，以覆蓋應(yīng)用面的需要，耐壓如能大于45V更好;AC12V或24V輸入時(shí)簡(jiǎn)單的橋式整流器輸出電壓會(huì)隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)，特別是電壓偏高時(shí)輸出直流電壓也會(huì)偏高，驅(qū)動(dòng)IC如不能適應(yīng)寬電壓范圍，往往在電網(wǎng)電壓升高時(shí)會(huì)被擊穿，LED光源也因此被燒毀。

2)驅(qū)動(dòng)芯片的標(biāo)稱(chēng)輸出電流要求大于1.2-1.5A，作為照明用的LED光源，1W功率的LED光源其標(biāo)稱(chēng)工作電流為350mA，3W功率的LED光源其標(biāo)稱(chēng)工作電流為700mA，功率大的需要更大的電流，因此LED照明燈具選用的驅(qū)動(dòng)IC必需有足夠的電流輸出，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)必需使驅(qū)動(dòng)IC工作在滿(mǎn)負(fù)輸出的70-90%的最佳工作區(qū)域。使用滿(mǎn)負(fù)輸出電流的驅(qū)動(dòng)IC在燈具狹小空間散熱不暢，容易疲勞和早期失效。

3)驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流必需長(zhǎng)久恒定，LED光源才能穩(wěn)定發(fā)光，亮度不會(huì)閃爍;同一批驅(qū)動(dòng)芯片在同等條件下使用，其輸出電流大小要盡可能一致，也就是離散性要小，這樣在大批量自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)才能有效和有序;對(duì)于輸出電流有一定離散性的驅(qū)動(dòng)芯片必選在出廠或投入生產(chǎn)線(xiàn)前分檔，調(diào)整PCB板上電流設(shè)定電阻(Rs)的阻值大小，使之生產(chǎn)的LED燈具恒流驅(qū)動(dòng)板對(duì)同類(lèi)LED光源的發(fā)光亮度一致，保持最終產(chǎn)品的一致性。

4)驅(qū)動(dòng)芯片的封裝應(yīng)有利于驅(qū)動(dòng)芯片管芯的快速散熱，如將管芯(Die)直接綁定在銅板上，并有一Pin直接延伸到封裝外，便于直接焊接在PCB板的銅箔上迅速導(dǎo)熱(圖3)。如在一個(gè)類(lèi)似4X4mm的硅片管芯上，要長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)300-1000mA的電流，必然有功耗，必然會(huì)發(fā)熱，芯片本身的物理散熱結(jié)構(gòu)也是至關(guān)重要的。

圖3 驅(qū)動(dòng)IC剖面 驅(qū)動(dòng)IC俯視

5)驅(qū)動(dòng)芯片本身的抗EMI、噪音、耐高壓的能力也關(guān)系到整個(gè)LED燈具產(chǎn)品能否順利通過(guò)CE、UL等認(rèn)證，因此驅(qū)動(dòng)芯片本身在設(shè)計(jì)伊始就要選用優(yōu)秀的拓樸結(jié)構(gòu)和高壓的生產(chǎn)工藝。

6)驅(qū)動(dòng)芯片自身功耗要求小于0.5W，開(kāi)關(guān)工作頻率要求大于120Hz，以免工頻干擾而產(chǎn)生可見(jiàn)閃爍應(yīng)用方案簡(jiǎn)潔的PT4115：

PT4115具備高度集成的DC/DC-Buck→ConstantCurrent功能，它能將直流電壓直接轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的恒流輸出。應(yīng)用方案簡(jiǎn)潔的PT4115實(shí)用電路如圖4。

圖4 應(yīng)用方案簡(jiǎn)潔的PT4115實(shí)用電路[!--empirenews.page--]

PT4115的開(kāi)關(guān)頻率采用抖頻技術(shù)有效降低EMI。頻率抖動(dòng)技術(shù)(FrequencyJitter)是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI問(wèn)題的新方法。頻率抖動(dòng)技術(shù)是指開(kāi)關(guān)電源的工作頻率并非固定不變，而是周期性地由窄帶變?yōu)閷拵У姆绞絹?lái)降低EMI，來(lái)減小電磁干擾的方法。未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí)，各次諧波較窄而且離散，幅值在諧波頻率較高處，EMI集中在峰尖。采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí)，諧波幅值降低并且變得平滑，高次諧波接近連續(xù)響應(yīng)。減小EMI的效果十分顯著。

PT4115是8-30V寬電壓輸入，擊穿電壓>45V;輸出電流可達(dá)1.2A。轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97%。輸出電流精度達(dá)±5%。芯片具有過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、LED開(kāi)路保護(hù)等多種功能。采用SOT89-5封裝，有利于驅(qū)動(dòng)芯片管芯的快速散熱。周邊應(yīng)用電路簡(jiǎn)約，僅四個(gè)元器件，應(yīng)用成本低廉。

DIM調(diào)光采用由高向低調(diào)光，安全可靠。PWM和模擬電壓均可。DIM端內(nèi)部有一個(gè)1兆上拉電阻(Rup)接到內(nèi)部5V電源。有些燈具需要實(shí)施過(guò)溫保護(hù)，可在DIM端加一熱敏電阻、NTC或溫度二極管，DIM端的電壓由Rup和NTC分壓決定，利用模擬調(diào)光的原理以及溫度對(duì)PN結(jié)電流的負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)溫度控制。由此可實(shí)現(xiàn)LED燈具的動(dòng)態(tài)過(guò)溫保護(hù)。NTC也可選用半導(dǎo)體溫度傳感器或PN結(jié)。實(shí)用電路如圖5。

圖5 燈具過(guò)溫保護(hù)實(shí)用電路

4.2 PT4115應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

AC/DC電流源要足夠大

所有周邊器件自身的功耗要盡可能小;

確認(rèn)Vin與負(fù)載電壓的需求，Vin-ΔVF=1.2-1.5V時(shí)工作效率較佳;

Rs應(yīng)按LED光源的IF電流大小設(shè)計(jì)，RS=0.1/ILED;

LED電流小于400mA，L選用68-100uH(飽和電流>0.6A);

電流在400mA到800mA，L選用47-68uH(飽和電流>1.2A);

L的輸出電流=需用電流X1.5;

L選用錳鋅4000磁芯;

Cin有續(xù)流和濾波的功能，電容量不宜太小，耐壓不宜太低;

整流和續(xù)流二極管選用正向壓降盡可能小、電流較大的肖特基二極管，可有效地降低系統(tǒng)功耗;

PCB銅箔與PT4115的ExposedPAD和GND的接觸面積面積要盡可能大，以利散熱。

表1 周邊元器件的選用

4.3 單顆芯片多種應(yīng)用

PT4115是一顆可應(yīng)用于多種LED燈具驅(qū)動(dòng)的芯片，如路燈、水底燈、洗墻燈、泛光燈、隧道燈、汽車(chē)工作燈等。簡(jiǎn)單實(shí)用低成本LED燈具方案如圖6所示?？蓪?-9顆1WLED串聯(lián)，其ΔVF=3.4VXN，IF=350mA。當(dāng)Vin=12VDC時(shí)，3顆LED串聯(lián)，ΔVF=10.2V，工作效率較佳。并可3串并聯(lián)應(yīng)用，ΔIF=3X350mA=1050mA。燈具系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用N組合，以適應(yīng)多種燈具方案的需要。

圖6 簡(jiǎn)單實(shí)用低成本LED燈具方案

4.4 可用于生產(chǎn)DEMO

向燈具廠商提供可用于生產(chǎn)LED燈具驅(qū)動(dòng)DEMO是促進(jìn)LED燈具廠家快速投產(chǎn)的好辦法。

一顆芯片的推廣往往要經(jīng)歷單顆芯片的推廣、送樣，客戶(hù)要設(shè)計(jì)應(yīng)用于產(chǎn)品的電路圖，做實(shí)驗(yàn)板驗(yàn)證、畫(huà)PCB版圖、采購(gòu)元器件、組裝生產(chǎn)、調(diào)試檢測(cè)……路途漫漫，一般需要幾個(gè)月?，F(xiàn)在由生產(chǎn)芯片的上游廠家直接為生產(chǎn)最終產(chǎn)品的生產(chǎn)廠提供可用于生產(chǎn)的DEMO(圖7)，大大地縮短了生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，幾個(gè)月推廣的實(shí)踐證明，大多數(shù)LED燈具廠在檢測(cè)可用于生產(chǎn)的DEMO的性能符合其企標(biāo)要求后，會(huì)立即做一個(gè)小批量生產(chǎn)，驗(yàn)證其重復(fù)性和可靠性，順利的話(huà)二三周可快速進(jìn)入批量生產(chǎn)。

圖7 可用于生產(chǎn)的MR16射燈DEMO