恒流LED驅動(dòng)器：經(jīng)濟高效、可靠、使用方便

LED被廣泛用于各個(gè)細分市場(chǎng)。盡管高功率LED需要采用復雜的驅動(dòng)方案，但絕大多數應用是使用電流低于500毫安的LED，并可由線(xiàn)性恒流LED驅動(dòng)器驅動(dòng)。這些驅動(dòng)器使用簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟高效，且不會(huì )影響EMC。本文簡(jiǎn)要介紹在實(shí)際應用中使用恒流LED驅動(dòng)器時(shí)應考慮哪些設計和功率問(wèn)題。

為了驅動(dòng)高性能LED，有多種高端解決方案，使用具有復雜控制器的升壓-降壓拓撲結構，但這需要深刻理解這些拓撲才能創(chuàng )建可靠且符合EMC規范的設計。但是，對于中低功率LED，有一個(gè)非常簡(jiǎn)單且強大的驅動(dòng)器解決方案，使用恒流LED驅動(dòng)器作為一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓器。從功率損耗的角度來(lái)看，恒流LED驅動(dòng)器并不是理想的選擇，但其出色的EMC性能、可靠性、容易實(shí)現，以及最終顯著(zhù)的降低系統成本，使其成為驅動(dòng)高達500 mA LED的首選解決方案。本文中提到的以NCR為后綴的驅動(dòng)器都可從安世半導體獲得。它們被用于恒定電流源和汽車(chē)應用，例如內飾和外飾燈（例如，門(mén)把手、儀表板、數字鍵盤(pán)燈、指示器或尾燈）。

圖1：低端和高端恒流LED驅動(dòng)器拓撲：

圖1所示為使用恒流驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)LED的基本電路。這種驅動(dòng)器內部由一個(gè)BJT、兩個(gè)二極管和兩個(gè)電阻組成。采用PNP BJT的恒流驅動(dòng)器作為高端驅動(dòng)器使用，而采用NPN BJT的恒流驅動(dòng)器作為低端驅動(dòng)器使用。其中一個(gè)電阻定義最小的輸出電流，另一個(gè)電阻調節偏置電壓，對使能特性起重要作用。高端恒流驅動(dòng)器具有一個(gè)接地的使能引腳；因此可以通過(guò)斷開(kāi)此引腳來(lái)關(guān)閉兩個(gè)驅動(dòng)器以及LED。在實(shí)踐中，通過(guò)采用配電阻晶體管(RET)（如圖1右所示）或MOSFET來(lái)實(shí)現此目的。然而，低端驅動(dòng)器需要啟動(dòng)某些潛在功能。NCRx20x系列驅動(dòng)器需要采用一個(gè)電源電壓來(lái)使能（如圖1 左所示）。NCRx21x系列驅動(dòng)器可在更低電壓（3.3 V）下使能（如圖1 中所示）。此零件從使能引腳獲取1 - 2 mA電流，因此易于被微控制器或邏輯器件的輸出引腳驅動(dòng)。這樣非常便于LED的開(kāi)啟和關(guān)閉，以及使用PWM控制器來(lái)簡(jiǎn)單調節LED燈的明暗。

關(guān)于調節明暗的功能，請參見(jiàn)圖2：配備外部6 ?電阻，采用不同開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，NCR321Z的輸出電流的均值與占空比成函數關(guān)系。該圖展示了占空比與測量的平均輸出電流之間的線(xiàn)性關(guān)系。即使頻率超過(guò)建議的10 kHz，這種線(xiàn)性關(guān)系仍然適用。但是，最好采用不超過(guò)10 kHz的頻率，以避免EMC問(wèn)題。

圖2：配備外部6 ?電阻，采用不同開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，NCR321Z的輸出電流的平均值與占空比成函數關(guān)系。

大部分恒流LED驅動(dòng)器的輸出電流都是由外接電阻來(lái)調節。有些類(lèi)型的恒流驅動(dòng)已經(jīng)調節為常用的電流，不需要配有外部電阻，所以可采用3引腳封裝。在可連接外部電阻的應用中，外接電阻與內部電阻并聯(lián)，從而會(huì )降低有效電阻。采用NPN晶體管的低端恒流驅動(dòng)器(NCRx2xx系列)配有一個(gè)95 Ω內部電阻。通過(guò)對測量曲線(xiàn)進(jìn)行分析，得出如下公式，可以估算出外接電阻與輸出電流之間的關(guān)系：

外接電阻的值不能太低，以免超過(guò)最大輸出電流。如果外接電阻比內部電阻小，則大部分輸出電流將流經(jīng)外部電阻；當外部電阻很小，輸出電流會(huì )很大，這一點(diǎn)很重要。然而，? W電阻就已足夠，因為即使是輸出電流為250 mA，功率損耗不會(huì )超過(guò)170 mW。

恒流驅動(dòng)器表現出對溫度的負相關(guān)性。在溫度升高時(shí)，輸出電流會(huì )略微下降。但是，輸出電流不會(huì )受到加在恒流驅動(dòng)器的壓降的影響。由于輸出電流隨溫度升高而降低，所以不存在熱失控的風(fēng)險。

加在恒流驅動(dòng)器上的最小壓降約為1.4 V。低于此電壓時(shí)，線(xiàn)性調節不能正常工作。超過(guò)此值時(shí)，恒流驅動(dòng)器上的壓降會(huì )動(dòng)態(tài)的調整，以增強所需的輸出電流。低端和高端配置的恒流驅動(dòng)器中，輸出電壓始終按計算，LED上的電壓，供電電壓。當LED的亮度在某種程度上與電源電壓無(wú)關(guān)時(shí)，應使用恒流LED驅動(dòng)器。例如，汽車(chē)的12 V電源在正常運行時(shí)會(huì )在11 V和15 V之間波動(dòng)。如果已知LED中所需的驅動(dòng)電流和壓降，那么最小電源電壓可以由加在驅動(dòng)器上的壓降和LED上的電壓之和計算得出。最大允許電壓由加在驅動(dòng)器中的最大允許壓降決定，或者通過(guò)來(lái)估算的總功耗決定。因此，如果不超過(guò)規格書(shū)的限制，則允許的操作范圍可以表示為：

SOT457封裝的恒流驅動(dòng)器的一般具有的總功耗。輸出電流為50 mA時(shí)，這與15 V的裕量有關(guān)。安世半導體新推出的SOT223封裝的器件的提高至1.25 W，這將電壓裕量調高至25 V。

圖3：并聯(lián)使用的兩個(gè)低端驅動(dòng)器。

此外，可以通過(guò)減小輸出電流來(lái)提高電壓裕量。如圖3所示，將兩個(gè)或多個(gè)恒流驅動(dòng)器并聯(lián)起來(lái)可以切實(shí)讓電流翻倍。使用這種方法，可以驅動(dòng)超過(guò)單個(gè)驅動(dòng)器容限的電流，或者使用低于驅動(dòng)器容限的電流來(lái)增加電壓裕量。使用兩個(gè)采用SOT223封裝、驅動(dòng)容限為250 mA的恒流驅動(dòng)器，可以使電路驅動(dòng)500 mA LED，其電壓裕量為5 V。并聯(lián)驅動(dòng)恒定電流驅動(dòng)器時(shí)，外部電阻的精度是最重要的影響單個(gè)驅動(dòng)器輸出電流對稱(chēng)性的因素。圖4描述了采用SOT457和SOT223封裝時(shí)，電壓裕量與單個(gè)和并聯(lián)驅動(dòng)器的輸出電流的對應關(guān)系。

圖4：采用SOT457和SOT223封裝的單個(gè)和并聯(lián)驅動(dòng)器的電壓裕量。

圖5：采用SOT457和SOT223封裝的安世半導體LED驅動(dòng)器(NCRx2xx)

綜上所述，恒流LED驅動(dòng)器提供了一種經(jīng)濟高效且易于實(shí)施的驅動(dòng)中低功率LED的解決方案。使用更高的封裝會(huì )直接轉化為更高的電源電壓裕量，而且并聯(lián)驅動(dòng)器可用于提升驅動(dòng)電流能力。