led驱动电源国内常用哪些设计方案

【专家解说】：、LED有哪些优点？

　　★高效节能　一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电）

　　★超长寿命　半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）

　　★ 光线健康　光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线）

　　★ 绿色环保　不含汞和氙等有害元素，利于回收和利用，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）

　　★ 保护视力　直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）

　　★ 光效率高，发热小：90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）

　　★ 安全系数高　所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，可用于矿场等危险场所

　　★ 市场潜力大　低压、直流供电，电池、太阳能供电即可，可用于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

    三、权威预测

　　半导体照明将在未来5-10年内取代现有传统光源。

　　“未来白光LED将更加便宜，市场总体容量将快速增长。”许志鹏乐观地指出，据美国能源部预测，2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被LED替代，可能形成一个500亿美元的大产业。而日本提出，LED将在今年大规模替代传统白炽灯。日、美、欧、韩等国均已正式启动LED照明战略计划。

　　美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯将被嵌在芯片上的发光体---半导体灯替代。日本计划到2008年用这种半导体灯替代50%的传统照明灯具。科学家测量发现，在同样亮度下，LED的电能消耗光二极管（简称LED）的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯（简称CCFL）类似的水平。这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓：汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样，LED不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致最坏状况：完全失效。与白炽灯相比，虽然大功率LED具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。设计LED驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，LED芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。有关此类曲线，参见图1。

　　

　　图1 LED降频曲线

　利用无温度依赖性的电源运行LED存在弊端：在高温区域内，LED则超出规格范围运行。此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于最大容许电流（参见图1红色曲线）的电流供电。如图1的绿色曲线所示，通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻（简称PTC热敏电阻）来控制LED电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处：

　　*在室温下增加正向电流，从而增加光输出

　　*因为可以减少LED使用量，所以可以使用价格较低的驱动集成电路（简称IC）乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本

　　*实现无需IC控制的驱动电路设计，此电路亦可使LED电流随温度改变

　　*能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的LED

　　*过热保护功能提高了可靠性

　　*带散热片的热机械设计更为简单

　　大多数LED用驱动电路形式具有一个共同点：即流经LED的正向电流是通过固定电阻进行设置（参见图2）。一般说来，流经LED ILED的电流取决于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不随温度而变，因此LED电流也不受温度影响。

　　将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对LED电流的温度管理。下列图表阐明了如何使用PTC热敏电阻来改善标准电路。

 　　示例1：有反馈回路的恒流源

　　图2中电路1为常用的驱动电路。其恒流源包括一条反馈回路。当调节电阻两端的反馈电压达到因IC而异的VFB时，LED电流就不变了。LED电流因而被稳定在ILED=VFB/Rout。

　　

　　图2 LED的传统驱动方式

　　图3所示为上一电路改良型：此电路借由PTC热敏电阻，生成随温度变化的LED电流。通过正确选择PTC热敏电阻、Rseries以及 RparallEL，此电路与专用驱动IC和LED组合相匹配。其中，LED电流可经由下列方程式计算得出：

　　图3所示电路阐明了LED电流（参见图3）的温度依赖性。与针对最高运行温度为60度的恒流源相比较，使用PTC热敏电阻后LED电流可在0度和40度之间提升达40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

　　

　　图3 采用PTC热敏电阻的温度监测和电流降频

示例2：调节电阻与LED无串联的恒流源

　　图2所示电路2为另一常见的恒流源电路：电流通过连接驱动IC的电阻得以确定。然而在这种情况下，调节电阻并未与LED串联。Rset和 ILED之间的比率由IC规格明确。因此，运用20KΩ的串联电阻和TLE4241G型驱动IC，最终产生的LED电流为30mA。图4所示为标准电路改良型，其中也含有一个PTC热敏电阻，尽管此处采用WHPTC热敏电阻。在感测温度，元件电阻可达4.7KΩ，且容许误差值为±5℃（标准系列） 或±3℃（容许误差值精确系列）。

　　图4所示为随外界温度而变化的LED电流。固定电阻Rseries容许误差范围小，在低温时支配总电阻。只有在低于PTC热敏电阻的感测温度大约15 K时，由于PTC热敏电阻的阻值开始增加，电流才会开始下降。在感测温度（总电阻=Rseries+RPTC=19.5KΩ+4.7KΩ=24.2KΩ） 时的电流大约为23mA。PTC电阻在温度更高时急剧上升，迅速引发断路，从而避免因温度过高出现故障。

　　

　　图4 无分流测量之温度记录

　　示例3：无IC简单驱动电路

　　如图2所示电路3，LED也可在无驱动IC的情况下工作。图示电路是通过车用电池驱动单一200mA LED。稳压器生成5 V的稳定电源电压Vstab，以避免电源电压出现波动。LED在Vstab处运作，电流则通过与LED串联的电阻元件Rout决定。在这类电路中，通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流，在此等式中，VDiode是一个LED的正向电压：

　　另一做法是将WHPTC的径向引线式PTC热敏电阻以及两个固定电阻相组合后，替代上述固定电阻，如图所示。

　　由于LED电流的绝大部分流经PTC热敏电阻本身，因此需要选择一个较大的径向引线式元件。PTC将因为流经电阻本身的电流而导致发热，因此会一直减少电流，无论环境温度为何（如图5所示）。并联两个或更多片式PTC热敏电阻会将电流分流，但此方案仍存在局限性。

 

图5 无需IC的温度补偿驱动电路

电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。这两个电阻也在改进电路方面也起到重要作用，因为它们将产生的LED正向电流的允差保持在较低水平。这在正常工作温度范围内尤其重要，因为此时PTC热敏电阻本身的阻值允差仍较高。第二个并联固定电阻也能确保PTC不会在极端高温情况下彻底关闭 LED，因此，电流不会降至低于下列等式计算的所得值：

　　这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要，因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。

　　背景资料：LED的温度依赖性

　　像所有半导体一样，LED的最高容许结点温度不能超过，以免导致过早老化或者完全失效。如果结点温度要保持在临界值以下，那么外界温度升高时，最高容许正向电流则必须下降。不过，如果运用散热器，在特定的外界温度时正向电流可以增加。LED的光输出随着芯片结点温度的升高而下降。上述情况主要发生在红色和黄色LED，白色LED则与温度关系较小。光照效率和正向电流保持同步增长，不过，安装在结层和环境之间的LED所具备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用，这是因为随着结点温度的上升，发射光会降低。

　　此外，当结点温度上升且LED正向电压与温度保持同步增长时，发射光的主波长会以+0.1 nm / K的典型速率增长。各种白光LED驱动电路特性评比 1996年，日亚化学的中村氏发现蓝光LED之后，白光LED就被视为照明光源最具发展潜力的组件，因此，有关白光LED性能的改善与商品化应用，立即成为各国研究的焦点。目前，白光LED已经分别应用于公共场所的步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率的特性，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，因此，各厂商陆续推出白光LED专用驱动电路与相关组件。鉴于此，本文就 LED专用驱动电路的特性与今后的发展动向进行简单阐述。 1 定电流驱动的理由

　　1.1 白光LED的光度以顺向电流规范

　　白光LED的顺向电压通常被规范成20mA时，最小为3.0V，最大为4.0V，也就是若单纯施加一定的顺向电压时，顺向电流会作大范围的变化。

　　

　　图1是从A、B两家LED企业的产品中随机取三种白光LED样品进行顺向电压与顺向电流特性检测的结果。根据检测结果显示，若利用3.4V顺向电压驱动上述六种白光LED时，顺向电流会在10~44mA范围内大幅变动。表1为白光LED的电气与光学特性。

   

　　由于白光LED的光度与色度是以定电流方式量测的，所以，为获得预期的亮度与色度，通常是用定电流驱动。

　　

　　表2 为光学坐标的等级（rank）（IF=25mA，Ta=250C）。

　　1.2 避免顺向电流超越容许电流值

　　为确保白光LED的可靠性，基本上就是需要设法避免顺向电流超过白光LED的绝对最大设计值（定格值）。

　　

　　图2中，白光LED的定格最大顺向电流为30mA，随着周围温度的上升，容许顺向电流则持续衰减，如果周围温度为50℃，通常顺向电流就不能超过20mA。此外，利用定电压的驱动方式不易控制流入LED的电流值，因此就无法维持LED的可靠性。

    2 白光LED的驱动方法

　　

　　图3是驱动白光LED常用的四种电源电路；图4是上述六种随机取样白光LED稳定后的ReguLation精度特性。

　　图4的测试结果显示，ReguLator的负载特性出现在白光LED的VF角落上，即图中的交叉点就是各白光LED的稳定动作点。

　2.1 使用电压ReguLator的驱动方式

　　图3（a）的电路分别使用可以控制LED电流的电压ReguLator与BaLLast电阻，这种电路的优点是电压ReguLator种类丰富，设计者可以选择的自由度较大，而且与电压ReguLator、LED的接点只有一点；缺点是BaLLast造成的电力损失会导致效率恶化。此外，LED的顺向电流也无法获得精密控制。

　　图4（a）中可以看出，随机取样六个白光LED的顺向电流，从14.2mA到18.4mA分布范围非常广，因此，A厂商LED的（平均值）顺向电流高达2.0mA。相比之下，图4（b）电路使用的ReguLator虽然有小型、低成本的优点，缺点是可能会无法满足性能与可靠性的要求，也就是说本电路的实用性相对较弱。

　　2.2 使用定电流输出的电压ReguLator驱动方式

　　图3（b）的电路虽然可以使流入LED的所有电流稳定化，不过为了匹配（Matching）各LED的电气特性，电路中特别设置了一组 BaLLast电阻。

　　图3（b）中的MAX1910属于定电流输出型的电压ReguLator，虽然本电路使用同厂商、同批号（Lot）的白光LED，获得了极佳的匹配性，不过，在使用不同厂商与批号的LED时，就会出现很大的特性差异分布。本电流Regu-Lator使用类似图3（a）的方式控制驱动电流，不过它却可以使BaLLast电阻的消费电力降低一半左右。

　图4（b）的测试结果显示，流入六个随机取样白光LED的电流，从15.4mA到19.6mA，变化范围非常大。因此，A厂商与B厂商两者的 LED是以平均17.5mA的电流驱动。此电路的缺点是BaLLast电阻造成的电力损失有残留之虞，而且又无法获得LED电流的匹配性；不过整体而言，本电路兼具动作特性与简洁性，所以具有相当程度的使用价值。

　　2.3 使用输出型的MuLti　PuLL电流Regu-Lator的驱动方式

　　图3（c）的电路可以使流入LED的电流各自稳定化，因此不需要使用BaLLast电阻，电流的精度与匹配性ReguLator则由各自的电流 ReguLator支配。

　　图3（c）中的MAX1570　IC可以使上述电流ReguLation达成2％标准的电流精度，与0.3％标准的电流匹配性等目标。

　　由MAX1570　IC构成的电流ReguLator为低Drop　Out　Type，因此它的动作效率非常高。图4（c）的测试结果显示，使用图3（c）的驱动电路时，流入六个随机取样白光LED稳定化的电流为17.5mA。

　　虽然ReguLator与LED之间需要四个连接端子，不过此电路不需要BaLLast电阻，所以可以有效抑制封装面积，因此非常适合应用在封装空间极为狭窄的小型液晶面板等领域。

 　　2.4 使用升压型电流ReguLator驱动的方式

　　图3（d）的电路是利用可以使电流稳定化的电感（Inductor），构成所谓的高效率Step　Up　Converter。本电路的最大特点是　Feed　Back　ThreshoLd电压，可以减少电流检测用电阻的电力损失。此外，LED采用串联方式连接，所以流入白光LED的电流即使是在各种要求下，都能够与LED完全取得匹配。有关电流的精度基本上取决于Regu-Lator的Feed　Back　ThreshoLd精度，因此不会受到LED顺向电压的影响。

　　由MAX1848与MAX1561　IC构成的电流ReguLator的效率（PLED/PIN）分别是：三个 LED＋MAX1848，87％；六个LED＋MAX-1561， 84％。

　　Step　Up　Converter的另一优点是Regu-Lator与LED之间需要两个连接端子，而且LED的使用数量不会受到Step Up　Converter种类的影响，这意味着设计者会拥有更大的选择空间。因此，Step　Up　Converter广泛应用在各种尺寸的液晶面板；电路的缺点是电感外形高度、组件成本偏高，有EMI辐射干扰。