照明用LED的低壓驅動(dòng)技術(shù)分析

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、大電流驅動(dòng)的器件，其發(fā)光的強度由流過(guò)LED的電流大小決定，電流過(guò)強會(huì )引起LED光的衰減，電流過(guò)弱會(huì )影響LED的發(fā)光強度，因此，LED的驅動(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)達到理想的發(fā)光強度。在LED照明領(lǐng)域，要體現出節能和長(cháng)壽命的特點(diǎn)，選擇好LED驅動(dòng)IC至關(guān)重要，沒(méi)有好的驅動(dòng)IC的匹配，LED照明的優(yōu)勢無(wú)法體現。

1 LED工作要素

LED工作的主要參數是VF、IF，其它相關(guān)的是顏色/色溫/波長(cháng)/亮度/發(fā)光角度/效率/功耗等。LED是一個(gè)P-N結二極管，只有施加足夠的正向電壓才能傳導電流。VF正向電壓是為L(cháng)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標稱(chēng)電壓：3.4V±0.2V。

LEDIF工作電流按應用需要選用，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內部結構

3 LED燈具驅動(dòng)原理

LED燈具驅動(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)穩壓器降壓和變換成恒流源，輸出恒定的電流驅動(dòng)LED光源。LED光源是按燈具的設計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要求設計，總的正向電壓△VF是N顆LED的總和。

LED燈具驅動(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的交流電源應考慮隔離供電。

圖2 LED燈具驅動(dòng)原理

4 LED燈具的低壓驅動(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)燈具的電路設計上，LED的串聯(lián)個(gè)數在1-9顆，尤以1-3顆為常見(jiàn)。串聯(lián)的總△VF應低于電源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。當然LED的串并聯(lián)的方案是多種多樣的，串聯(lián)個(gè)數與其工作電壓(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燈具對低壓驅動(dòng)芯片的要求

1)驅動(dòng)芯片的標稱(chēng)輸入電壓范圍應當滿(mǎn)足DC8-40V，以覆蓋應用面的需要，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，驅動(dòng)IC如不能適應寬電壓范圍，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)驅動(dòng)芯片的標稱(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光源其標稱(chēng)工作電流為350mA，3W功率的LED光源其標稱(chēng)工作電流為700mA，功率大的需要更大的電流，因此LED照明燈具選用的驅動(dòng)IC必需有足夠的電流輸出，設計產(chǎn)品時(shí)必需使驅動(dòng)IC工作在滿(mǎn)負輸出的70-90%的最佳工作區域。使用滿(mǎn)負輸出電流的驅動(dòng)IC在燈具狹小空間散熱不暢，容易疲勞和早期失效。

3)驅動(dòng)芯片的輸出電流必需長(cháng)久恒定，LED光源才能穩定發(fā)光，亮度不會(huì )閃爍;同一批驅動(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;對于輸出電流有一定離散性的驅動(dòng)芯片必選在出廠(chǎng)或投入生產(chǎn)線(xiàn)前分檔，調整PCB板上電流設定電阻(Rs)的阻值大小，使之生產(chǎn)的LED燈具恒流驅動(dòng)板對同類(lèi)LED光源的發(fā)光亮度一致，保持最終產(chǎn)品的一致性。

4)驅動(dòng)芯片的封裝應有利于驅動(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板的銅箔上迅速導熱(圖3)。如在一個(gè)類(lèi)似4X4mm的硅片管芯上，要長(cháng)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構也是至關(guān)重要的。

圖3 驅動(dòng)IC剖面 驅動(dòng)IC俯視

5)驅動(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等認證，因此驅動(dòng)芯片本身在設計伊始就要選用優(yōu)秀的拓樸結構和高壓的生產(chǎn)工藝。

6)驅動(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換成穩定的恒流輸出。應用方案簡(jiǎn)潔的PT4115實(shí)用電路如圖4。

圖4 應用方案簡(jiǎn)潔的PT4115實(shí)用電路