照明用LED驅動(dòng)技術(shù)及應用

1 引言

“低碳”生活是目前倡導的一種觀(guān)念，對于照明來(lái)說(shuō)，LED的應用就是具體體現。LED具有環(huán)保、節能、效率高、壽命長(cháng)、安全可靠的優(yōu)勢，為此，必須了解LED的使用條件、工作原理、驅動(dòng)方法和典型應用。

2 LED工作原理

要設計驅動(dòng)電路，首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要與VF、IF有關(guān)。LED的伏安特性見(jiàn)圖1，其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電流。當正向電壓超過(guò)閾值(即導通電壓，如圖約1.7V)時(shí)，可近似認為IF與VF成正比。由圖可知，LED的最高IF可達1A，而VF通常為2 V～4V。

圖1 LED的VF與IF 的關(guān)系

LED的正向壓降變化范圍比較大(可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線(xiàn)可知，VF的微小變化會(huì )引起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變化。所以，通常LED的發(fā)光特性都用電流的函數來(lái)描述，而不是電壓的函數。但一般的整流電路的輸出電壓隨著(zhù)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)也會(huì )變化，由此可知，采用恒壓源驅動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的特性。因此，LED驅動(dòng)通常采用恒流源驅動(dòng)。

3 LED驅動(dòng)技術(shù)

由LED的工作原理知道，要使LED保持最佳的亮度狀態(tài)，需要恒流源來(lái)驅動(dòng)。驅動(dòng)的任務(wù)既要保持恒流特性，還要保持較低的功耗。為了滿(mǎn)足以上要求，通常采用的控制電流的方法有：通過(guò)調節限流電阻的大小實(shí)現控制電流；通過(guò)調節限流電阻上的基準電壓來(lái)調節電流；PWM調制實(shí)現電流控制。LED的驅動(dòng)技術(shù)與開(kāi)關(guān)電源中應用的技術(shù)十分類(lèi)似，LED驅動(dòng)電路是一種電源轉換電路，但輸出的是恒定電流而非恒定電壓。無(wú)論在任何情況下，都要輸出恒定而平均的電流，紋波電流要控制在一定的范圍內。

⑴　限流法

如圖2所示，這是傳統的電路。電網(wǎng)電壓通過(guò)降壓、整流、濾波后，通過(guò)電阻限流使LED穩定工作。這種電路的致命缺點(diǎn)是：電阻R上的功耗直接影響了系統的效率，再加上變壓器損耗，系統效率約50%。當電源電壓在±10%的范圍內變動(dòng)時(shí)，流過(guò)LED的電流變化將≥25%，LED上的功率變化超過(guò)30%。電阻限流的優(yōu)點(diǎn)是設計簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)電磁干擾；但是電流會(huì )隨著(zhù)VF的變化而改變亮度，效率很低，散熱難。

圖2 限流法

二極管改為空心通直線(xiàn)，電容為平行直線(xiàn)，刪除‘+’號，符號改為斜體，腳注改為小寫(xiě)正體

⑵　穩壓法

圖3是在圖2的基礎上加了一個(gè)集成穩壓元件MC7809，使輸出端的電壓基本穩定在9V，限流電阻R可用得很小，不會(huì )造成LED的電壓不穩。但是，此電路效率還是低。因為MC7809和R1上的壓降仍占很大比例，其效率約為40%左右。這就稱(chēng)不上是節能照明產(chǎn)品。為了達到既能使LED穩定工作，又能保持高的效率，應采用低功耗的限流元件和電路來(lái)使系統效率提高。線(xiàn)形穩壓法的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、外部元件少、效率中等、成本較低。

圖3 穩壓法

二極管改為空心通直線(xiàn)，電容為平行直線(xiàn)，刪除‘+’號，符號改為斜體，腳注改為小寫(xiě)正體

⑶　PWM法

PWM脈寬調制，即用脈寬調制的方法，改變LED驅動(dòng)電流的脈沖占空比來(lái)控制光的亮度。是利用簡(jiǎn)單的數字脈沖，反復開(kāi)關(guān)LED驅動(dòng)器的調光技術(shù)。使用者只需提供寬、窄不同的數字脈沖，即可實(shí)現改變輸出電流，從而調節白光LED的亮度。此驅動(dòng)電路的特點(diǎn)是，通過(guò)一個(gè)電感器將能量傳遞給負載，通常是用一個(gè)PWM控制信號，對MOSFET晶體管觸發(fā)導通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現。通過(guò)改變PWM的占空比和電感器的充放電時(shí)間，對輸入電壓和輸出電壓的比率進(jìn)行調節。這類(lèi)電路常見(jiàn)的結構包括降壓、升壓、降壓-升壓等類(lèi)型。優(yōu)點(diǎn)是高效、穩定，但容易產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲，成本高，設計復雜。

圖4 PWM法

上圖的符號改為斜體

圖4的PWM信號，經(jīng)過(guò)三極管VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅動(dòng)，采用簡(jiǎn)單的NPN三極管驅動(dòng)放大電路，以改善MOS管的導通過(guò)程，減少驅動(dòng)電源的功率。當驅動(dòng)電路直接驅動(dòng)MOS管時(shí)，會(huì )引起被驅動(dòng)MOS管的快速開(kāi)通和關(guān)斷，這就可能造成被驅動(dòng)MOS管漏源極間電壓的振蕩。一則引起射頻干擾，二則有可能造成MOS管遭受過(guò)高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問(wèn)題，需在被驅動(dòng)MOS管的柵極與驅動(dòng)電路的輸出之間串聯(lián)一只無(wú)感電阻。當PWM波輸出高電平時(shí)，三極管VQ1導通，從而使MOS管的柵極電壓低于源極電壓，MOS管的源極和漏極導通，LED點(diǎn)亮。當PWM波輸出低電平時(shí)，VQ1截止，LED熄滅。

4 典型照明LED驅動(dòng)方案

目前全球LED市場(chǎng)主要有日本的日亞化學(xué)（Nichia)、豐田合成(ToyodaGosei)、美國Cree公司、歐洲飛利浦(PhilipsLumileds)和歐司朗(Osram)5家掌控。照明LED驅動(dòng)芯片制造商，國內利用較多的有華潤矽威科技和臺灣點(diǎn)晶科技的產(chǎn)品，國外利用較多的有安森美和美國國家半導體等芯片。

（1）華潤矽威的LED驅動(dòng)芯片

華潤矽威科技最新推出的PT4207采用SOP8封裝，是一款高壓降壓式LED驅動(dòng)控制芯片，能適應從18V到450V的輸入電壓范圍，可支持上百個(gè)LED的串并聯(lián)驅動(dòng)應用，占空比最高可達100%，以保證系統的高效能。內置輸入電壓補償功能，極大改善了PT4207在不同輸入電壓下的LED電流穩定性。PT4207內置一個(gè)350mA開(kāi)關(guān)，并配備外部MOS開(kāi)關(guān)驅動(dòng)端口。對于350mA以下的應用無(wú)需外部MOS開(kāi)關(guān)，對于高于350mA的應用可采用外部MOS管擴展電流。LED電流可通過(guò)外部電阻設定。通過(guò)多功能調光DIM管腳，可使用電阻或DC電壓線(xiàn)性調節LED電流，也可使用數字脈沖信號進(jìn)行PWM調光。PT4207具有多種保護功能，包括負載短路保護、開(kāi)路保護、過(guò)溫度保護等。適合AC/DC LED日光燈、RGB背光LED驅動(dòng)、LED環(huán)境裝飾燈等各種應用。PT4207的典型應用線(xiàn)路如圖5所示。

圖5 LED日光燈驅動(dòng)芯片PT4207典型應用線(xiàn)路

二極管改為空心通直線(xiàn)，電阻為長(cháng)方形，符號改為斜體，腳注改為小寫(xiě)正體

（2）安森美LED驅動(dòng)芯片

安森美半導體NCL30000是一款極佳的產(chǎn)品，成本低，性能佳。這器件集成了PFC、DC-DC轉換和LED驅動(dòng)器，簡(jiǎn)單易用，其小型SOIC封裝也有利于小巧設計和低成本。NCL30000采用緊湊型的8引腳表面貼裝封裝，使用臨界導電模式反激架構，以單段式拓撲結構，在寬AC輸入電壓范圍內提供大于0.95的高功率因數。典型應用包括LED驅動(dòng)器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)組件(TRIAC)可調光LED燈及功率因數校正恒壓電源。其典型應用原理圖如圖6所示。

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