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LED高效率电流驱动设计
 

【作者: Mehmet Nalbant】2006年01月25日 星期三

浏览人次:【3615】

本文将介绍一个控制高亮度LED电流的简单电路,它包含一个标准型号的高度整合降压型切换式稳压器,可以精确控制LED的电流,是一个以125kHz固定频率运作的直流─直流转换器,而7.5V到76V的宽广输入电压范围更使得它特别适合汽车应用,在亮度控制方面,则提供了模拟(线性点亮)或低频有效周期率调变(PWM点亮)等选择。


高亮度LED技术介绍

在过去几年,高亮度LED已经逐渐成为各种应用的照明来源选择,高亮度LED是一个稳固且可靠的半导体组件,能够承受数万次的开关,并可达到10万小时的操作寿命,这样的效能表现代表其可用时间比传统的白炽灯或卤素灯要高上许多,因此,高亮度LED的应用可以见诸于汽车车灯、公共与商用号志与建筑照明等场合。


高亮度LED基本上是一个能够在正向偏压情况下产生白、红、绿与蓝光的P/N接面半导体组件,当然也可以提供例如琥珀色与其他色彩,由于本身是一个P/N接面,因此LED与传统二极管一样有着类似的电压相对于电流特性,不同的是接面电压的压降较大,在达到正向电压VF前,只有少量电流会流经LED,直到达到正向电压VF(范围由红色LED的2.5V到蓝色LED的4.5V)时,就和传统二极管一样,电流会快速增加,因此设计工程师必须得加入电流限制功能以避免可能的伤害,而电流的限制可以透过三种方法解决,分别各有不同的优点与缺点,如(表一)所示。


表一 各种电流限制方法的比较

电流

限制方法

优点

缺点

串联组件功率耗损[注]

电阻式

成本低。

只需一颗组件(较大型)。

无法控制电流精确度。

电流会受电源电压变化影响。

电阻上功率耗损大,必须注意调整。

2.8W

主动式

线性控制

线性控制回路可精确控制LED电流。

可透过电流进行点亮控制。

可透过振幅控制或低频PWM点亮。

可自动针对LED特性进行温度补偿。

成本比简单电阻式限流器高。

在同样电源电压下耗损大约与电阻式限流器相同。

可能需要在电流经过的主动式组件加上散热机制。

2.8W

切换式

稳压控制

可精确控制LED电流的控制回路。

可透过振幅控制或低频PWM点亮。

可自动针对LED特性进行温度补偿。

可精确控制LED电流的控制回路。

大多不需散热机制,可节省成本并降低电路复杂度。

可提供其他需要较高输入电压与较大LED电流,却可能造成无法忍受耗损应用的LED电源。

成本比电阻式与线性控制方式高。

必须细心设计以减轻EMI问题。

主动式电路虽然需要占用较大电路空间,但其他方法则可能需要更多硬件与实际散热空间。

<0.8W



高亮度LED切换式电源

高亮度LED电源是以输出电流1A,采固定频率运作的高度整合PWM切换式转换器MAX5035为基础所架构,如(图一)



《图一 高亮度LED电源电路架构》
《图一 高亮度LED电源电路架构》

<图注:将控制电压由0V改变到3.9V会让这个LED电流驱动器在LED_A与LED_K接脚间产生350mA到0mA的输出电流>


此外还提供有500mA输出电流的系列组件MAX5033,这些搭配电感的降压式稳压器芯片可以精确控制流经LED或采串行方式连接LED的电流,整体电压可高达12V。MAX5035切换频率为125kHz,输入电压范围可高达76V(输入电压越高,输入电容与二极管的要求也越高),因此该电路可以在宽广的输入电压范围内维持LED电流不变,表二提供了这个电路的规格。


表二 图一中电路的参数

参数

最小输入电压

7.5V(大部分单一LED情况)

最高输入电压

30V(受D1与C8、C9限制)

最大输出电流

350mA(VControl=0V时)

最高输出电压

12V(350mA输出,由MAX5035内部控制)

控制电压范围(VControl)

0V(最大电流)到3.9V(完全点亮)


LED电流的控制是透过在图一电路中的控制端点(Control)加上电压来达成,(图二)、(图三)则为这个控制技术的效率表现,控制电压与三个并联电流感测电阻上的电压加总,然后加到芯片的反馈端点FB,芯片中的控制回路会将FB接脚上的电压稳定维持在接近1.22V,因此,更高的控制电压会带来更低的电流,原因是控制电压与由R1与R5所控制电流感测电阻电压总合必须永远等于1.22V。


《图二 LED电流与控制电压相对关系示意图》
《图二 LED电流与控制电压相对关系示意图》
《图三 推动一、二或三个串联绿光350mA LED时效率相对于LED电流的关系》
《图三 推动一、二或三个串联绿光350mA LED时效率相对于LED电流的关系》

以下的方程序可以用来设计输出电流与控制电压:


《公式一》
《公式一》

其中VREF=1.22V且由R2、R3与R4电阻并联所形成的感测电阻值Rsense等于5。


在许多情况下,以50Hz到200Hz低频信号提供驱动电流,并透过控制脉波波宽的方式来点亮LED可以带来一些好处,如(图四)所示,虽然LED在每个脉波经过时都会发出相同的亮度,但如果波宽过窄时眼睛会注意到点亮的动作,和透过振幅调变方式点亮,让LED电流变化造成光谱偏移的情况不同,这种做法的光谱会维持不变。图四显示了透过0V到约3.9V方波控制波形信号点亮的100Hz LED电流波形,以这样低频PWM的信号点亮,通常可以得到比图二中所采用线性电流方式要高的效率。


《图四 低频PWM点亮信号的控制与LED电流波形》
《图四 低频PWM点亮信号的控制与LED电流波形》

<图注:其中CH1为控制电压VControl,CH3为LED电流ILED,由三个串联绿光LED所形成的负载电压大约为9.5V,其中电流关闭时的尾波信号可以透过采用较小的输出电容加以降低>


结论

<图注:其中CH1为控制电压VControl,CH3为LED电流ILED,由三个串联绿光LED所形成的负载电压大约为9.5V,其中电流关闭时的尾波信号可以透过采用较小的输出电容加以降低>


  • 图一中的芯片(MAX5035或MAX5033)提供了产生驱动高亮度LED固定电流源一个高效率且省成本的方式,这个电路的部分优点如下:


  • ●采125kHz高频率切换可搭配较小的反应组件(L1与C2);


  • ●可以在宽广输入电压范围内维持高效率输出;


  • ●高达12V输出电压可满足多达三颗串联绿光高亮度LED应用;


  • ●电压范围可扩展到76V满足车用高亮度LED应用;


  • ●可应用在24V标志与建筑照明应用;


  • ●输出电流可透过改变电流感测电阻R2、R3与R4的大小扩展到1A;


  • ●内建切换式功率MOSFET的高度整合功率芯片;


  • ●透过控制输入进行LED电流的线性振幅调变(线性点亮方式);


  • ●透过控制输入进行低频PWM信号点亮。


  • (作者任职于Maxim Integrated Products)



《图五 图一中电路的印刷电路板布局安排。》
《图五 图一中电路的印刷电路板布局安排。》
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