超高亮LED的驅動(dòng)

0 引言
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)發(fā)明于20世紀60年代，它是利用半導體材料中的電子和空穴相互結合并釋放出能量，使得能量帶(Energy Gat，)位階改變，以發(fā)光顯示其所釋放出的能量。LED具有體積小、壽命長(cháng)、驅動(dòng)電壓低、耗電量低、反應速率快、耐震性佳等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于信號指示、數碼顯示等領(lǐng)域。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，使得它越來(lái)越多地用在彩燈裝飾、甚至照明領(lǐng)域。

l 超高亮LED的特點(diǎn)
與傳統的照明燈相比，超高亮LED具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1)壽命長(cháng)，可靠耐用，維護費用極為低廉LED可連續使用105h，比普通白熾燈泡長(cháng)100倍；
2)高效率現在已經(jīng)可以達到201m／w．預計到2005年將達到501m／W[1]，LED)的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，其發(fā)光效率可達80％～90％，LED比節能燈還要節能1／4；
3)色彩鮮艷，光色單純 以12英寸的紅色交通信號燈為例，它采用低光效的140W白熾燈作為光源，所產(chǎn)生的2000lm的白光經(jīng)紅色濾光片后，光損失90％，只剩下2001m的紅光，而在Lumileds Lighting公司采用18個(gè)紅色LED光源設計的燈中，包括電路損失在內，僅耗電14W，即可產(chǎn)生同樣的光效；
4)點(diǎn)亮速度快 汽車(chē)信號燈是LED光源應用的一個(gè)重要領(lǐng)域，由于LED響應速度快(ns級)，在汽車(chē)上安裝高位LED剎車(chē)燈，可以減少汽車(chē)追尾事故的發(fā)生。

近年來(lái)高亮LED已經(jīng)在汽車(chē)的近光燈中得到了應用，例如德國奧迪公司的奧迪A86.O，意大利Fioravanti公司在2003年日內瓦車(chē)展上推出的概念車(chē)Yak，美國福特公司不久前在底特律車(chē)展上推出的Model U都開(kāi)始將高亮LED用于前照燈的設計中。

盡管超高亮LED具有許多優(yōu)點(diǎn)，但目前仍存在下述缺點(diǎn)：
1)功率低市面上的單體LED功率一般在5W以下，還沒(méi)有出現更大功率的LED，這是目前LED難以成為照明首選的最大瓶頸；
2)需要嚴格控制溫度 LED是一種半導體材料，與普通二極管一樣具有PN結，由于高亮二極管的功率相對比較大，所以與功率半導體器件相同，需要考慮散熱問(wèn)題，結溫過(guò)高會(huì )直接影響LED的壽命，并且會(huì )增大LED的光衰，情況嚴重的會(huì )將LED燒壞；
3)價(jià)格高除了功率低，價(jià)格是LED難以成為照明的主要因素，雖然LED目前已被大多數人認識，也被多數人看好，但其高昂的價(jià)格難以被消費者接受，目前單體黃色LED大約O．6元／個(gè)，綠色與藍色單體LED在1．8元／個(gè)左右，白色LED的價(jià)格達到了2.2～5.5元／個(gè)左右；如果將幾十個(gè)單體LED組合，其成本將大大增加,如把一個(gè)LED安裝在草坪燈里，其單價(jià)就相當于一般草坪燈的幾倍，LED要成為未來(lái)照明的主流光源，就一定要朝著(zhù)大流明方向發(fā)展，成本才有可能降低，市場(chǎng)才有可能突破。

2 超高亮LED的特性
HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一種超高亮LED，本文以它為例分析超高亮LED的特性。圖1為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關(guān)系曲線(xiàn)，由曲線(xiàn)可知，當正向電壓超過(guò)某個(gè)閾值(約2V)，即通常所說(shuō)的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比。表1是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表1可知，當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為3～4V。

由于LED的光特性通常都描述為電流的函數，而不是電壓的函數，光通量(φV)與IF的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示，因此，采用恒流源驅動(dòng)可以更好地控制亮度。此外，由表1可知LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上)，而由圖1中的VF-IF曲線(xiàn)可知，VF的微小變化會(huì )引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅動(dòng)。

圖3是HPWA-xH00 LED的溫度與光通量(φV)關(guān)系曲線(xiàn)，由圖3可知光通量與溫度成反比，85℃時(shí)的光通量是25℃時(shí)的一半，而一40℃時(shí)光輸出是25℃時(shí)的1．8倍。溫度的變化對LFD的波長(cháng)也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

3 超高亮LED的驅動(dòng)電路
由于受到LED功率水平的限制，通常需同時(shí)驅動(dòng)多個(gè)LED以滿(mǎn)足亮度需求，因此，需要專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)電路來(lái)點(diǎn)亮LED。下面簡(jiǎn)要介紹LED驅動(dòng)的主要電路。

3．1 阻限流電路
如圖4所示，電阻限流驅動(dòng)電路是最簡(jiǎn)單的驅動(dòng)電路，限流電阻按式(1)計算。

式中：Vin為電路的輸入電壓：
VF為IED的正向電流；
VF為L(cháng)ED在正向電流為，IF時(shí)的壓降；
VD為防反二極管的壓降(可選)；
y為每串LED的數目；
x為并聯(lián)LED的串數。
由圖1可得LED的線(xiàn)性化數學(xué)模型為

式中：Vo為單個(gè)LED的開(kāi)通壓降；
Rs為單個(gè)LED的線(xiàn)性化等效串聯(lián)電阻。
則式(1)限流電阻的計算可寫(xiě)為

當電阻選定后，電阻限流電路的IF與VF的關(guān)系為

由式(4)可知電阻限流電路簡(jiǎn)單，但是，在輸入電壓波動(dòng)時(shí)，通過(guò)LED的電流也會(huì )跟隨變化，因此調節性能差。另外，由于電阻R的接人損失的功率為xRIF，因此效率低。

3．2線(xiàn)性調節器
線(xiàn)性調節器的核心是利用工作于線(xiàn)性區的功率三極管或MOSFFET作為一動(dòng)態(tài)可調電阻來(lái)控制負載。線(xiàn)性調節器有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。

圖5(a)所示為并聯(lián)型線(xiàn)性調節器又稱(chēng)為分流調節器(圖中僅畫(huà)出了一個(gè)LED，實(shí)際上負載可以是多個(gè)LED串聯(lián)，下同)，它與LED并聯(lián)，當輸入電壓增大或者LED)減少時(shí)，通過(guò)分流調節器的電流將會(huì )增大，這將會(huì )增大限流電阻上的壓降，以使通過(guò)LED的電流保持恒定。

由于分流調節器需要串聯(lián)一個(gè)電阻，所以效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒定的調節。

圖5(b)所示為串聯(lián)型調節器，當輸入電壓增大時(shí)，調節動(dòng)態(tài)電阻增大，以保持LED上的電壓(電流)恒定。

由于功率三極管或MOSFET管都有一個(gè)飽和導通電壓，因此，輸入的最小電壓必須大于該飽和電壓與負載電壓之和，電路才能正確地工作。

3．3開(kāi)關(guān)調節器
上述驅動(dòng)技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驅動(dòng)時(shí)，由于電流只有幾個(gè)mA，因此損耗不明顯，當用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅動(dòng)時(shí)，功率電路的損耗就成了比較嚴重的問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源是目前能量變換中效率最高的，可以達到90％以上。Buek、Boost和Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅動(dòng)，只是為了滿(mǎn)足LED的恒流驅動(dòng)，采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進(jìn)行反饋控制。

圖6(a)為采用Buck變換器的LED驅動(dòng)電路，與傳統的Buek變換器不同，開(kāi)關(guān)管S移到電感L的后面，使得S源極接地，從而方便了S的驅動(dòng)，LED與L串聯(lián)，而續流二極管D與該串聯(lián)電路反并聯(lián)，該驅動(dòng)電路不但簡(jiǎn)單而且不需要輸出濾波電容，降低了成本。但是，Buck變換器是降壓變換器，不適用于輸入電壓低或者多個(gè)LED串聯(lián)的場(chǎng)合。

圖6(b)為采用Boost變換器的LED驅動(dòng)電路，通過(guò)電感儲能將輸出電壓泵至比輸入電壓更高的期望值，實(shí)現在低輸入電壓下對LED的驅動(dòng)。

圖6(c)為采用Buck―Boost變換器的LED驅動(dòng)電路。與Buek電路相似，該電路S的源極可以直接接地，從而方便了S的驅動(dòng)。Boost和 Buck-Boosl變換器雖然比Buck變換器多一個(gè)電容，但是，它們都可以提升輸出電壓的絕對值，因此，在輸入電壓低，并且需要驅動(dòng)多個(gè)LED時(shí)應用較多。

4 超高亮LED的驅動(dòng)控制芯片介紹
根據高亮LED大功率恒流驅動(dòng)的特點(diǎn)，很多公司都推出了高亮LED的專(zhuān)用驅動(dòng)控制芯片，例如：Melexis、lnfinton(英飛凌)、Lienear Technology(凌特)、Supenex Inc、Analog。Devices(ADI)等。

4．1 MLxl0801芯片介紹
MLXl0801是Melexi8公刊的一款針對汽車(chē)應用的LED驅動(dòng)芯片，該芯片還可以用于繼電器等線(xiàn)圈的驅動(dòng)，以及用作電子熔斷器。MLx10801芯片的原理框圖如圖7所示，它集成了功率MOSFET，最大驅動(dòng)電流為350mA。用作LED驅動(dòng)時(shí)，它具有如下特點(diǎn)：
―外邵應用電路簡(jiǎn)單；
―內部／外部溫度檢測保護；
―高效率的開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)；
―可以通過(guò)PWM輸入控制亮度；
―LED的參數可以調節并可以存儲到片內NV存儲器中。
MLX10801雖然僅有8個(gè)管腳，但功能強大，表2為MLXl0801的管腳功能介紹。

圖8為MlJXl0801的典型應用電路，LED、L、D2、Rsense和MLXl0801內集成的MOSFET組成一個(gè)典型的Buck型LED驅動(dòng)電路。圖8中的LED可以根據亮度需要采用多個(gè)LEI)串聯(lián)。MLXl0801通過(guò)檢測Rsense上的電壓來(lái)檢測通過(guò)LED的峰值電流，將該電流值與設定的基準值比較，通過(guò)控制腳DRV0UT的脈寬，來(lái)控制LED電流的大小。CONTR可以用作外部的開(kāi)／關(guān)控制，或者輸入PWM信號來(lái)控制LED閃爍。當不需要控制時(shí)，可以將該管腳通過(guò)電阻R與腳VS相連。DSENSE用于連接外部的熱敏電阻檢測LED溫度，保護IED。雖然MLXl0801芯片內部具有內置熱敏電阻，但是，為了保證芯片與LED相距較遠時(shí)仍能夠正確檢測到溫度，MIX10801仍然設置了腳DSENSE來(lái)實(shí)現遠距離溫度的檢測。腳CALIB用來(lái)與控制器通訊，用于接受控制器設定LED的電流、允許最高溫度、采用內部溫度檢測還是外部溫度檢測、是否防抖、軟啟動(dòng)時(shí)間等參數。

4.2 大功率LED驅動(dòng)芯片的比較
表3所列為當前主要大功率IED驅動(dòng)控制芯片性能比較，在應用大功率IED驅動(dòng)控制芯片時(shí)，可以依據不同的應用場(chǎng)合進(jìn)行選擇：
1)當需要較高功率時(shí)可選擇功率器件沒(méi)有集成在芯片內的控制器，這樣就可以按照實(shí)際的功率需求單獨選擇功率器件；
2)當需要較高的變換效率時(shí)，如便攜式設備等，可選擇開(kāi)關(guān)電源類(lèi)的驅動(dòng)電路；
3)當應用于可靠性高的設備中，可選擇具有溫度保護、故障報警等控制功能全面的芯片。

5 結語(yǔ)
隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，超高亮LED的功率會(huì )進(jìn)一步提高，成本也會(huì )降低，高效節能的超高亮LED必將廣泛應用于照明領(lǐng)域。而低成本，高可靠性的驅動(dòng)電路，是保證LED具有持久亮度的關(guān)鍵。