高亮度LED恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

摘要：本文討論的簡(jiǎn)單電路能夠調(diào)節(jié)高亮度LED的驅(qū)動(dòng)電流，該電路采用非定制、高度集成的降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器(MAX5035)，能夠準(zhǔn)確地控制流過LED的電流。MAX5035 DC/DC轉(zhuǎn)換器在7.5V至76V寬輸入電壓范圍內(nèi)保持125kHz固定工作頻率，是汽車應(yīng)用的理想之選。亮度控制可以通過模擬(線性調(diào)節(jié))或低頻占空比(PWM調(diào)節(jié))方式實(shí)現(xiàn)。

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(tǒng)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(dá)到幾十甚至幾萬小時(shí)，比傳統(tǒng)的白熾燈或鹵素?zé)舻氖褂脡勖叱鰩讉€(gè)數(shù)量級(jí)。基于這一優(yōu)勢(shì)，高亮度LED在汽車照明、公共標(biāo)示與信號(hào)標(biāo)志以及建筑照明中得到普遍應(yīng)用。

高亮度LED是經(jīng)過特殊處理的PN結(jié)半導(dǎo)體器件，正向偏置時(shí)可發(fā)出白光、紅光、綠光或藍(lán)光(也可能產(chǎn)生其它顏色光)。作為PN結(jié)它們表現(xiàn)出類似于傳統(tǒng)二極管的V-I特性，但具有較高的結(jié)壓降。在正向電壓達(dá)到VF (從紅光LED的2.5V到藍(lán)光LED的4.5V)，流過LED的電流很?。灰坏┱螂妷哼_(dá)到VF，電流將迅速上升(與傳統(tǒng)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(duì)這三種方式進(jìn)行了對(duì)比：

表1. 限流方式比較

限流方式	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)	功耗1
電阻	價(jià)格低； 只需一個(gè)器件(雖然較大)；	不能準(zhǔn)確地控制電流； 電流某種程度上跟隨電源電壓變化； 電阻上的功耗較大，必須據(jù)此確定電阻尺寸；	2.8W
有源線性控制	線性控制環(huán)路準(zhǔn)確地控制LED電流； 控制調(diào)光電流； 可實(shí)現(xiàn)幅值和低頻PWM調(diào)節(jié)； 能夠?qū)崿F(xiàn)LED特性的自動(dòng)溫度補(bǔ)償；	比簡(jiǎn)單的電阻限流成本高； 電源的功耗與電阻限流方案相同； 可能需要散熱器；	2.8W
開關(guān)調(diào)節(jié)控制	控制環(huán)路可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流； 可實(shí)現(xiàn)幅值和低頻PWM 調(diào)節(jié)； 能夠?qū)崿F(xiàn)LED特性的自動(dòng)溫度補(bǔ)償； 寬輸入電壓范圍； 基本上不需散熱器，可節(jié)省成本，降低裝配復(fù)雜性； 對(duì)于高輸入電壓和大工作電流，其它驅(qū)動(dòng)方案會(huì)導(dǎo)致非常高的損耗，此模式則能保持高效工作。	與電阻和線性控制方式相比，電路成本較高； 需考慮EMI，須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)電路； 有源電路可能需要更多空間。但其他限流方式需要更大的散熱器和物理空間。	<0.8W

1假設(shè)一個(gè)白色LED：VF = 4V、ILED = 350mA、VIN = 12V。

高亮度LED開關(guān)電源

圖1是基于固定頻率、高集成度PWM開關(guān)轉(zhuǎn)換器MAX5035的高亮度LED電源原理圖，輸出電流可達(dá)1A。另一類似器件MAX5033的輸出電流可以達(dá)到500mA。這款基于電感的buck調(diào)節(jié)器能夠準(zhǔn)確控制流過LED (或幾個(gè)串聯(lián)LED，總電壓為12V)的電流。MAX5035的開關(guān)頻率為125kHz，輸入電壓范圍高達(dá)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(nèi)控制并保持恒定的LED電流。表2總結(jié)了該電路的設(shè)計(jì)規(guī)格。


圖1. 通過調(diào)節(jié)控制電壓(0V至3.9V)，MAX5035 LED電流驅(qū)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。

表2. 圖1電路的基本參數(shù)

參數(shù)	值
最小輸入電壓(V)	7.5 (大多數(shù)單LED)
最大輸入電壓(V)	30 (受D1和C8、C9限制)
最大輸出電流(mA)	350 (VCONTROL= 0V)
最大輸出電壓(V)	12 (由MAX5035內(nèi)部限制，輸出電流350mA)
控制電壓范圍(VCONTROL) (V)	0 (滿電流)至3.9 (全部調(diào)暗)

利用圖1電路在控制端作用一個(gè)電壓調(diào)節(jié)LED電流(圖2)。圖3給出了這一控制架構(gòu)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，電流測(cè)量值通過連接在LED_A端和LED_K端的電流表得到。


圖3. 圖1電路在驅(qū)動(dòng)一只、兩只或三只綠色350mA串聯(lián)LED時(shí)，調(diào)節(jié)器效率與LED電流的關(guān)系曲線。

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(nèi)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(cè)電壓都必須保持在1.22V (由電阻R1和R5設(shè)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，還可用來設(shè)計(jì)其它的輸出電流和控制電壓：



其中：VREF = 1.22V、RSENSE是R2、R3與R4的并聯(lián)電阻值(= 5Ω)。

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


圖4. 圖1電路低頻PWM亮度調(diào)節(jié)的控制和LED電流波形。Ch1：VCONTROL，Ch3：ILED。負(fù)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、0V至約3.9V的方波控制波形時(shí)，LED電流的脈沖如圖4所示。一般來說，低頻PWM調(diào)光電路的效率比線性LED調(diào)光電路(圖2)更高。


圖5. 圖1所示電路的PCB布局圖

結(jié)論

圖1所示IC (MAX5035、MAX5033)為恒流驅(qū)動(dòng)高亮度LED提供了一種高性價(jià)比方案，該方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 高開關(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(nèi)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。
• 輸出電壓可達(dá)12V，能夠驅(qū)動(dòng)三個(gè)串聯(lián)的高亮度綠色LED。
• 無需機(jī)械散熱器。
• 電壓范圍可擴(kuò)展至76V，適用于驅(qū)動(dòng)汽車高亮度LED。
• 可用于24V信號(hào)標(biāo)志燈和建筑照明。
• 通過變化電流檢測(cè)電阻R2、R3與R4值，輸出電流可達(dá)到1A。
• 內(nèi)置開關(guān)功率MOSFET，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
• 可通過控制輸入引腳，利用模擬電壓幅度(線性調(diào)光)調(diào)節(jié)LED的亮度。
• 通過控制輸入，利用低頻PWM信號(hào)調(diào)節(jié)亮度。