基于MAX16801／16802的LED照明驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

引言

LED作為一種出現(xiàn)時(shí)間最晚的照明技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)不僅體現(xiàn)在發(fā)光質(zhì)量方面，在生產(chǎn)、制造、易用性方面都要大大超越白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源。受到熒光燈發(fā)光原理的啟發(fā)，LED生產(chǎn)商通過在高亮度藍(lán)光LED管芯上加一層熒光粉，用藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光。此外，通過采用不同的熒光粉，可發(fā)出色溫為4500～10000K及色溫為2850～3800K的多種白光LED，白光LED的發(fā)光效率大都已超過301m／W，某些產(chǎn)品已超過50lm／W的水平，具備了正式大規(guī)模實(shí)用化的基礎(chǔ)。RGB三色LED合成白光綜合性能好，在高顯色指數(shù)下，流明效率有可能高到2001m／w，要解決的主要技術(shù)難題是提高綠光LED的電光轉(zhuǎn)換效率，目前其只有13％左右。對(duì)于LED激發(fā)熒光粉發(fā)光而言，三基色混光可以避免前者光譜分布不連續(xù)，顯色性不好等缺點(diǎn)，同時(shí)三基色混光的人眼舒適度可大大提高，由三基色PWM調(diào)制后可以根據(jù)需要在同一光源實(shí)現(xiàn)多色和全彩色照明。

1 設(shè)計(jì)理念及方案

設(shè)計(jì)大功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)，首先要從發(fā)光芯片選擇及光源實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，二次光學(xué)設(shè)計(jì)；設(shè)備封裝三個(gè)方面考慮。

在LED照明中，有單色LED激發(fā)熒光粉發(fā)光的成功設(shè)計(jì)案例，但考慮到這種方案出光難以實(shí)現(xiàn)全光譜、高顯色，在本次設(shè)計(jì)中采用RGB三基色混光光源，及對(duì)紅綠藍(lán)三種單色LED芯片單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，分別發(fā)光實(shí)現(xiàn)光源的完成。為了滿足大功率輸出下的照度穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)對(duì)LED溫度衰減的補(bǔ)償，同時(shí)也要對(duì)啟動(dòng)時(shí)的浪涌脈沖和電流的不穩(wěn)定波動(dòng)做出補(bǔ)償。在二次光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮三基色混光，在積分球混光和光纖耦合的對(duì)比中選擇光纖耦合，將三色芯片的出光通過光纖耦合混光后輸出。

2 LED光學(xué)特性及電氣特性

對(duì)于超高亮LED的特性，當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值(約2V)，即通常所說的導(dǎo)通電壓之后，可近似認(rèn)為，IF與VF成正比。當(dāng)前超高亮LED的最高IF可達(dá)1A，而VF通常為2～4V。由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，采用恒流源驅(qū)動(dòng)可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達(dá)lV以上)，VF的微小變化會(huì)引起較大的IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。LED的光通量與溫度成反比，85℃時(shí)的光通量是25℃時(shí)的一半，而-40℃時(shí)的光輸出是25℃時(shí)的1．8倍。溫度的變化對(duì)LED的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

3 混光方案

三基色加性混光是指光的三原色混合可以得到白色光源和灰度光。對(duì)于LED，根據(jù)國際照明委員會(huì)CIE發(fā)布的色度圖知道，光的色彩與三基色R、G、B的比例有關(guān)，并且有r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。LED取RGB合成白光這種辦法的主要問題是綠光的轉(zhuǎn)換效率低，現(xiàn)在紅綠藍(lán)LED轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到30％、10％和25％，由于合成白光所要求的色溫和顯色指數(shù)不同，對(duì)合成白光的各色LED流明效率也有不同。當(dāng)對(duì)三個(gè)發(fā)光芯片提供不同比例的脈寬電流時(shí)，可以輸出不同灰度的照明光源，如果對(duì)于混光比例實(shí)現(xiàn)多級(jí)的灰度計(jì)算，即可接近全彩色調(diào)光。為了提高混光效率，常用的方案有積分球混光、混光棒混光。為了減小器件封裝體積，本方案運(yùn)用光纖耦合混光，即使三芯片發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡注入位于焦點(diǎn)處的光纖，并在光纖中進(jìn)行混光，混光通過光纖出送至凹透鏡輸出。

4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電路分三部分：a．開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)市電向低壓恒流LED適應(yīng)電流的轉(zhuǎn)換；b．PWM調(diào)制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED出光效率的控制；c．控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源和PWM的連接和控制，實(shí)現(xiàn)混光后對(duì)出光灰度的控制。

4．1 基于MAXl6801／16802的AC／DC開關(guān)電源

高亮度(HB)LED驅(qū)動(dòng)器控制集成芯片MAXl680l／16802基本滿足了實(shí)際LED驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵電路的要求，可用于高亮度照明和顯示應(yīng)用，可進(jìn)行85～265V的AC整流電壓輸入，需要精度調(diào)節(jié)LED電流時(shí)，可利用片上的誤差放大器以及精度為1％的基準(zhǔn)。通過片內(nèi)PWM亮度調(diào)節(jié)也可以實(shí)現(xiàn)較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。

MAXl6801／16802內(nèi)部功能如圖1所示。

單個(gè)LED芯片的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。