本文介紹了大功率和高亮度LED的多種驅(qū)動(dòng)方法。建立一個(gè)基于LED的系統(tǒng)需要完成以下任工作：
1. 確定LED使用數(shù)量以及LED之間的連接方案；
2. 選擇線形模式或開關(guān)模式來驅(qū)動(dòng)LED；
3. 選擇供電電源，即直流電壓、交流電源或電池；
4. 光學(xué)分系統(tǒng)例如透鏡、表層濾鏡等。
LED的數(shù)量取決于對亮度的要求與LED的驅(qū)動(dòng)電流。關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)的介紹并不涵蓋在本篇文章內(nèi)。
LED的連接方案
當(dāng)LED的數(shù)量大于一時(shí)，就必須要確定一種LED連接方案。在選擇連接方案時(shí)并無硬性規(guī)則。有時(shí)只是偏愛問題。有時(shí)LED的連接方案可依據(jù)驅(qū)動(dòng)器的選擇來決定。有時(shí)可用供電電源和所需效能也會(huì)影響連接方案的選擇。
LED的連接一般分為三種主要結(jié)構(gòu)，即串聯(lián)、并聯(lián)(共陽極、共陰極、共陽極與共陰極)，以及串、并混聯(lián)(2個(gè)LED串聯(lián)、N個(gè)LED串聯(lián))
1. 串聯(lián)
圖1所示為LED的串聯(lián)電路。串聯(lián)電路中LED電流處處相等。串聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是，如果其中之一的LED開路，所有的LED都不會(huì)發(fā)光。串聯(lián)兩端的總VF變大，但對電流的需求變小。LED驅(qū)動(dòng)電路輸出的LED電壓必須大于串聯(lián)中總的VF電壓。通常，額定LED輸出電壓越接近串聯(lián)中總的VF電壓，LED的效能越大。
2. 共陽極并聯(lián)或共陰極并聯(lián)
當(dāng)需要獨(dú)立調(diào)整每一個(gè)LED的電流時(shí)，會(huì)使用共陽極或共陰極并聯(lián)。并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)一個(gè)LED開路時(shí)，不會(huì)對其他LED造成影響。并聯(lián)的缺點(diǎn)是，電路需要較高的額定電流。
3. 共陽極并聯(lián)與共陰極并聯(lián)
LED導(dǎo)通電壓之間的差異會(huì)導(dǎo)致電流參差。通過使用最小數(shù)量具有匹配特性(電特性、熱特性和使用壽命)的LED可以避免出現(xiàn)這一情況，把若干具有匹配特性的LED放在一起就相當(dāng)于一個(gè)具有較高額定電流的較大LED。由于具有不同的老化特性和熱特性，這些相匹配的LED可能會(huì)逐漸分化。
4. 串并混聯(lián)
圖3是串并聯(lián)混合的例子。這種連接方案通常是總VF需求與總電流需求的折衷方案，因此它更適合于有效LED驅(qū)動(dòng)。
LED驅(qū)動(dòng)電路
連接方案會(huì)影響所需驅(qū)動(dòng)通道的數(shù)目。大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器一般只有一個(gè)通道。然而，部分多通道LED驅(qū)動(dòng)器也是可用的。在共陽極或共陰極的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)通道可控制單個(gè)串聯(lián)支路上的LED或者并聯(lián)LED中的單個(gè)支路。驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED需滿足以下條件：
1. 輸出LED驅(qū)動(dòng)電壓必須大于串聯(lián)LED總的VF電壓；
2. LED驅(qū)動(dòng)恒定電流輸出必須大于等于LED要求的電流。如果電流較大，可使用PWM減小或改變電路電流，例如傳感電阻器。通常LED驅(qū)動(dòng)器被分為線性LED驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器。
線性LED驅(qū)動(dòng)器效率較低并且通常占用較大空間。開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器效率更高并且更小巧。但是，它們都具有電噪聲與輻射性噪聲問題并且設(shè)計(jì)復(fù)雜。
當(dāng)輸入供電電壓低于LED總的VF時(shí)，就必須使用開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器。究竟選擇線性LED驅(qū)動(dòng)器還是開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器，可根據(jù)它們的有效供電電壓和工作效率直接判定。
將穩(wěn)壓器變?yōu)長ED驅(qū)動(dòng)器
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓器擁有下列插腳，VIN、GND、VOUT和FB。FB引腳通過檢測一個(gè)輸入電壓來控制穩(wěn)壓器輸出電壓。對于恒定電流LED驅(qū)動(dòng)器，必須要有電流檢測。通過在LED的電流通路中安插一個(gè)電阻，將LED電流轉(zhuǎn)變?yōu)镕B引腳上的一個(gè)可測電壓。通常將電阻器安插到LED陰極一側(cè)來測定低端電壓，否則只能將電阻器安插到LED陽極一側(cè)來測定高端電壓。此時(shí)需要一個(gè)帶有高共模抑制比的差動(dòng)放大器來測定電阻器兩端的電壓。
低壓側(cè)電阻值為VFB／ILED，而高壓側(cè)的電阻值為VFB／(ILED×AV)。
其中，VFB是FB引腳的校準(zhǔn)反饋電壓；ILED是LED需要的電流；AV是差動(dòng)放大器的增益。
對于線性LED驅(qū)動(dòng)器而言，被驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)目為：
對于開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器而言，被驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)目為：
其中，VIN是輸入供電電壓；VDO是輸入和輸出的電壓差異；VR是電阻器兩端的檢測電壓；VOR是串聯(lián)的所有LED的額定輸出電壓；VF是標(biāo)準(zhǔn)的單個(gè)LED導(dǎo)通電壓。
線性LED驅(qū)動(dòng)器的例子
1. 單電阻限流
用一個(gè)電阻來限制LED的直流供電電流。單電阻限流的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但由于LED的導(dǎo)通電壓會(huì)產(chǎn)生漂移，所以LED電流并不穩(wěn)定。
該電阻為：
其中，VF是幾個(gè)LED串的電壓；IF為LED的電流；VIN為輸入電壓。
2. LM317或LM317HV
如圖6所示，將LM317HV穩(wěn)壓器用作LED驅(qū)動(dòng)器。
LM317HV將ADJ與OUT之間的電壓穩(wěn)定在1.23V，此時(shí)，LED的電流為ILED=1.23/R。
相對單電阻驅(qū)動(dòng)器此電路的優(yōu)點(diǎn)是雖然LED的導(dǎo)通電壓會(huì)產(chǎn)生漂移LED電流仍將保持恒定。
3. LM2941
另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器LM2941類似于LM317。LM2941穩(wěn)壓器的最大輸入電壓為26V。LM2941將ADJ與GND端點(diǎn)之間的電壓穩(wěn)定在1.275V。圖7所示，LED驅(qū)動(dòng)器LM2941提供354mA的驅(qū)動(dòng)電流。
4. LT3021
另一個(gè)線性穩(wěn)壓器是LT3021，它的最高輸入電壓為10V，最大電流額定值為500mA。LT3021將ADJ與GND端點(diǎn)之間的電壓穩(wěn)定在0.2V。LED電流即為R/0.2，開斷電壓為160mV。如果LED的VF為3.6V，串聯(lián)LED的數(shù)量為2。
5. TLE4242G
VREF將ADJ與GND引腳之間的電壓穩(wěn)定在177mV，最大輸入電壓額定值為42V，開斷電壓為0.7V。此電路中LED電流為VREF/R，在圖9的電路中，R=5.1ohm，LED電流為347mA。
6. AS3691和AS3692
AS3691的額定電壓為15V，最大LED電流為400mA。AS3692類似于AS3691。它們之間的差異是AS3692的額定電壓達(dá)到50V，但最大LED電流僅為200mA。有關(guān)AS3691與AS3692最佳性能與應(yīng)用說明的最新信息可聯(lián)系A(chǔ)ustriamicrosystem公司。
7. MAX16800 LED驅(qū)動(dòng)器
此LED驅(qū)動(dòng)器的額定電壓為40V，驅(qū)動(dòng)器使CS+與CS-之間的電壓保持穩(wěn)定。電流由外電路電阻設(shè)定(RS=VSENSE/ILED)。在ADJD-J823與HDJD-J822的LED顏色控制應(yīng)用中，由ADJD-J823/HDJD-J822輸出的PWM信號(hào)通連至MAX16800的EN輸入端。
開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器
開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器與開關(guān)穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。開關(guān)穩(wěn)壓器能在不同的電流負(fù)荷下保持一個(gè)恒定電壓。無論LED需要怎樣的導(dǎo)通電壓，開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器都能為LED輸送恒定的電流,并且提供過電壓保護(hù)或保證不超越額定功率限度。
下面是一些普通的開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范例：
1. BUCK降壓穩(wěn)壓器，輸出電壓低于輸入電壓；
2. BOOST升壓穩(wěn)壓器，輸出電壓高于輸入電壓；
3. BUCK-BOOST降壓/升壓型穩(wěn)壓器，輸出電壓反轉(zhuǎn)；
4. SEPIC類似于降壓/升壓型穩(wěn)壓器，但輸出電壓不反轉(zhuǎn)；
5. FLYBACK降壓/升壓型穩(wěn)壓器，其中的電感由變壓器代替。
設(shè)計(jì)者能從廠家處獲取IC數(shù)據(jù)表與應(yīng)用說明的相關(guān)信息，并且在工作上與LED驅(qū)動(dòng)器廠商緊密配合。當(dāng)開啟開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器之前應(yīng)連接好LED。
開關(guān)模式LED電路開路會(huì)導(dǎo)致輸出電壓上升到最高限制并且可能超過LED驅(qū)動(dòng)器最高電壓額定值的限制。
開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器的例子
1. HV9911降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
VIN與GND之間提供21~27V的輸入電壓。Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路提供80V最高輸出電壓?？沈?qū)動(dòng)InGaN氮化銦鎵LED的數(shù)目為~20。如果不使用PWM，需要連接VDD來啟動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器。
LED電流為：
2. HV9911升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
此降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路VIN與GND之間可承受130~200V直流電壓輸入，并提供20到100VLED輸出電壓。高端電流檢測將LED電流限制在350mA。如果不使用PWM，需要連接VDD來啟動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器。
此時(shí)，LED電流為：
3. HV9910
此降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路并沒有與線電壓隔離。LED必須在交流電源開啟之前就與驅(qū)動(dòng)器相通連。表1顯示了此電路的交流電壓的合理輸入范圍。元件L1與R4的參數(shù)值由LED工作電流決定。假定LED導(dǎo)通電壓為3.6V，最多可驅(qū)動(dòng)大約11個(gè)LED。
圖13中列出了1、2排的元件參數(shù)?？刂芇WM信號(hào)必須與主線隔離。如果不使用PWM，需要連接VDD來啟動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器。無論需要試用任何測量儀表，都必須使用隔離變壓器進(jìn)行隔離。
4. ST L6902
這是一個(gè)降壓型LED驅(qū)動(dòng)器。表2顯示了對應(yīng)不同LED電流所需要的元件參數(shù)。附注：圖15中元器件使用第一排所示元件參數(shù)能提供350mA的LED電流。
Vdim基座提供一個(gè)輸入電壓可用來進(jìn)行線性調(diào)節(jié)或反向邏輯PWM調(diào)節(jié)。在0V時(shí)，LED電流最大。當(dāng)電壓從0V增大到3.3V時(shí)，LED電流也會(huì)從最大值線性減小到0V。電阻R1與R3提供23.3V的過電壓保護(hù)，以防LED輸出位置發(fā)生斷路。假定InGaN LED VF=3.6V，最多可連接6個(gè)InGaN LED。
5. ST L4973
這是一個(gè)降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LED驅(qū)動(dòng)器，輸入電壓48V。最多能通連12個(gè)InGaN LED。電阻R1、R2與內(nèi)部5.1V供電使檢測電壓降低到0.5V。
6. LTC3490
此電路能使用單個(gè)電池驅(qū)動(dòng)一個(gè)InGaN LED。LED輸出電流被一個(gè)內(nèi)部傳感電阻器限制在350mA。如果LED引腳斷開，輸出電壓會(huì)被限制在4.7V。
7. LTC3783
此反激式LED驅(qū)動(dòng)器可為串聯(lián)LED提供150mA電流。過電壓保護(hù)在130V時(shí)啟動(dòng)，在120V時(shí)關(guān)閉。可通連的串聯(lián)LED數(shù)目為120/3.6=33 LED。PWM信號(hào)提供亮度調(diào)節(jié)。
8. LM3402
這是一個(gè)降壓Buck LED驅(qū)動(dòng)器。它擁有恒定同步結(jié)構(gòu)并且電路設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)單個(gè)INGAN LED。關(guān)于其它LED輸出電壓中LM3402的設(shè)計(jì)請參考下面的網(wǎng)址：http://www.national.com/webench/ledrefdesigns.do。
表3顯示了驅(qū)動(dòng)10個(gè)串聯(lián)LED時(shí)元件參數(shù)的改變。附注：電感型號(hào)由TDK公司提供。
9. Maxim 5035
此Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路中的VIN可承受7.5~30V的電壓。LED電流為350mA。LED輸出電壓額定值為12V。可驅(qū)動(dòng)1~3個(gè)InGaN LED。VCONTROL是一個(gè)線性調(diào)節(jié)輸入，LED電流由下面的方程式給定。
附注：RSENSE是R2、R3與R4并聯(lián)等效值。VREF一般為1.22V。VCONTROL是外部線性調(diào)節(jié)電壓，此電壓0V時(shí)LED電流最大。
10. MAX16801/MAX16802
MAX16801適于85VAC到265VAC的交流電壓整流。MAX16802適于低壓直流輸入電壓。圖21為MAX16802驅(qū)動(dòng)器的實(shí)例。電路被設(shè)計(jì)為以350mA驅(qū)動(dòng)單個(gè)InGaN LED。直流輸入電壓從10.8~24V。如果想了解其它結(jié)構(gòu)，請參考設(shè)計(jì)方法中的AN3639。電阻R1與R2使輸出電壓卡在29V。
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