為高亮度LED提供高效電流驅動(dòng)
高亮度led發(fā)展背景
近幾年,高亮度led (hb led)在各種照明系統中作為光源日益受到青睞,這是由于高亮度led具有高度的可靠性,使用壽命可以達到幾十甚至幾萬(wàn)小時(shí),比傳統的白熾燈或鹵素燈的使用壽命高出幾個(gè)數量級?;谶@一優(yōu)勢,高亮度led在汽車(chē)照明、公共標示與信號標志以及建筑照明中得到普遍應用。
高亮度led是經(jīng)過(guò)特殊處理的pn結半導體器件,正向偏置時(shí)可發(fā)出白光、紅光、綠光或藍光(也可能產(chǎn)生其它顏色光)。作為pn結它們表現出類(lèi)似于傳統二極管的v-i特性,但具有較高的結壓降。在正向電壓達到vf
(從紅光led的2.5v到藍光led的4.5v),流過(guò)led的電流很??;一旦正向電壓達到vf,電流將迅速上升(與傳統二極管相同)。因此,必須采用限流措施限制電流的上升,以防led損壞。目前有三種基本的限流方式,表1對這三種方式進(jìn)行了對比:
表1. 限流方式比較

1假設一個(gè)白色led:vf = 4v、iled = 350ma、vin = 12v。
高亮度led開(kāi)關(guān)電源
圖1是基于固定頻率、高集成度pwm開(kāi)關(guān)轉換器max5035的高亮度led電源原理圖,輸出電流可達1a。另一類(lèi)似器件max5033的輸出電流可以達到500ma。這款基于電感的buck調節器能夠準確控制流過(guò)led
(或幾個(gè)串聯(lián)led,總電壓為12v)的電流。max5035的開(kāi)關(guān)頻率為125khz,輸入電壓范圍高達76v (需使用更高額定電壓的輸入電容和二極管)。此電路可以在較寬的輸入電壓范圍內控制并保持恒定的led電流。表2總結了該電路的設計規格。
圖1. 通過(guò)調節控制電壓(0v至3.9v),max5035 led電流驅動(dòng)器能夠在led_a和led_k端產(chǎn)生近似350ma至0ma的輸出電流。
利用圖1電路在控制端作用一個(gè)電壓調節led電流(圖2)。圖3給出了這一控制架構的效率。

圖2. 圖1電路中led電流隨控制電壓的變化關(guān)系曲線(xiàn),電流測量值通過(guò)連接在led_a端和led_k端的電流表得到。

圖3. 圖1電路在驅動(dòng)一只、兩只或三只綠色350ma串聯(lián)led時(shí),調節器效率與led電流的關(guān)系曲線(xiàn)。
控制電壓與三個(gè)并聯(lián)檢流電阻的電壓共同作用到ic的反饋(fb)引腳。ic的內部控制環(huán)路使fb引腳的電壓保持在大約1.22v,因此,由于控制電壓與電流檢測電壓都必須保持在1.22v (由電阻r1和r5設置),更高的控制電壓將產(chǎn)生更小的電流。
以下等式除了適用于本例外,還可用來(lái)設計其它的輸出電流和控制電壓:

在許多情況下,利用低頻(50hz至200hz)pwm方式調節led電流非常方便,通過(guò)控制脈沖寬度調節亮度(圖4)。雖然led在每個(gè)脈沖期間保持相同亮度,肉眼能夠察覺(jué)到短暫的亮度變化,但是,這種調節方法的優(yōu)點(diǎn)在于光譜保持不變,采用幅度調節時(shí)光譜會(huì )隨著(zhù)流過(guò)led電流的變化而改變。

圖4. 圖1電路低頻pwm亮度調節的控制和led電流波形。ch1:vcontrol,ch3:iled。負載為三個(gè)串聯(lián)綠色led,總電壓近似為9.5v。替換小的輸出電容,可以減小關(guān)斷時(shí)的振蕩幅度。
采用100hz pwm控制波形時(shí),led電流的脈沖如圖4所示。一般來(lái)說(shuō),低頻pwm調光電路的效率比線(xiàn)性led調光電路(圖2)更高。

圖5. 電源pcb布局圖
結論
圖1所示ic (max5035、max5033)為恒流驅動(dòng)高亮度led提供了一種高性?xún)r(jià)比方案,該方案具有以下優(yōu)勢:
高開(kāi)關(guān)頻率(125khz)允許選擇小電抗器件(l1和c2)。
能夠在寬輸入電壓范圍內實(shí)現高轉換效率。
輸出電壓可達12v,能夠驅動(dòng)三個(gè)串聯(lián)的高亮度綠色led。
無(wú)需機械散熱器。
電壓范圍可擴展至76v,適用于驅動(dòng)汽車(chē)高亮度led。
可用于24v信號標志燈和建筑照明。
通過(guò)變化電流檢測電阻r2、r3與r4值,輸出電流可達到1a。
內置開(kāi)關(guān)功率mosfet,簡(jiǎn)化設計。
可通過(guò)控制輸入引腳,利用模擬電壓幅度(線(xiàn)性調光)調節led的亮度。
通過(guò)控制輸入,利用低頻pwm信號調節亮度。
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