超高亮LED的驅(qū)動

0 引言
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)發(fā)明于20世紀(jì)60年代，它是利用半導(dǎo)體材料中的電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，使得能量帶(Energy Gat，)位階改變，以發(fā)光顯示其所釋放出的能量。LED具有體積小、壽命長、驅(qū)動電壓低、耗電量低、反應(yīng)速率快、耐震性佳等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于信號指示、數(shù)碼顯示等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，使得它越來越多地用在彩燈裝飾、甚至照明領(lǐng)域。

l 超高亮LED的特點
與傳統(tǒng)的照明燈相比，超高亮LED具有如下優(yōu)點：
1)壽命長，可靠耐用，維護費用極為低廉LED可連續(xù)使用105h，比普通白熾燈泡長100倍；
2)高效率現(xiàn)在已經(jīng)可以達到201m／w．預(yù)計到2005年將達到501m／W[1]，LED)的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可達80％～90％，LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1／4；
3)色彩鮮艷，光色單純 以12英寸的紅色交通信號燈為例，它采用低光效的140W白熾燈作為光源，所產(chǎn)生的2000lm的白光經(jīng)紅色濾光片后，光損失90％，只剩下2001m的紅光，而在Lumileds Lighting公司采用18個紅色LED光源設(shè)計的燈中，包括電路損失在內(nèi)，僅耗電14W，即可產(chǎn)生同樣的光效；
4)點亮速度快 汽車信號燈是LED光源應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，由于LED響應(yīng)速度快(ns級)，在汽車上安裝高位LED剎車燈，可以減少汽車追尾事故的發(fā)生。

近年來高亮LED已經(jīng)在汽車的近光燈中得到了應(yīng)用，例如德國奧迪公司的奧迪A86.O，意大利Fioravanti公司在2003年日內(nèi)瓦車展上推出的概念車Yak，美國福特公司不久前在底特律車展上推出的Model U都開始將高亮LED用于前照燈的設(shè)計中。

盡管超高亮LED具有許多優(yōu)點，但目前仍存在下述缺點：
1)功率低市面上的單體LED功率一般在5W以下，還沒有出現(xiàn)更大功率的LED，這是目前LED難以成為照明首選的最大瓶頸；
2)需要嚴(yán)格控制溫度 LED是一種半導(dǎo)體材料，與普通二極管一樣具有PN結(jié)，由于高亮二極管的功率相對比較大，所以與功率半導(dǎo)體器件相同，需要考慮散熱問題，結(jié)溫過高會直接影響LED的壽命，并且會增大LED的光衰，情況嚴(yán)重的會將LED燒壞；
3)價格高除了功率低，價格是LED難以成為照明的主要因素，雖然LED目前已被大多數(shù)人認(rèn)識，也被多數(shù)人看好，但其高昂的價格難以被消費者接受，目前單體黃色LED大約O．6元／個，綠色與藍色單體LED在1．8元／個左右，白色LED的價格達到了2.2～5.5元／個左右；如果將幾十個單體LED組合，其成本將大大增加,如把一個LED安裝在草坪燈里，其單價就相當(dāng)于一般草坪燈的幾倍，LED要成為未來照明的主流光源，就一定要朝著大流明方向發(fā)展，成本才有可能降低，市場才有可能突破。

2 超高亮LED的特性
HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一種超高亮LED，本文以它為例分析超高亮LED的特性。圖1為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關(guān)系曲線，由曲線可知，當(dāng)正向電壓超過某個閾值(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。表1是當(dāng)前主要超高亮LED的電氣特性。由表1可知，當(dāng)前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為3～4V。

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)，光通量(φV)與IF的關(guān)系曲線如圖2所示，因此，采用恒流源驅(qū)動可以更好地控制亮度。此外，由表1可知LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上)，而由圖1中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，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。

圖3是HPWA-xH00 LED的溫度與光通量(φV)關(guān)系曲線，由圖3可知光通量與溫度成反比，85℃時的光通量是25℃時的一半，而一40℃時光輸出是25℃時的1．8倍。溫度的變化對LFD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 超高亮LED的驅(qū)動電路
由于受到LED功率水平的限制，通常需同時驅(qū)動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅(qū)動電路來點亮LED。下面簡要介紹LED驅(qū)動的主要電路。

3．1 阻限流電路
如圖4所示，電阻限流驅(qū)動電路是最簡單的驅(qū)動電路，限流電阻按式(1)計算。

式中：Vin為電路的輸入電壓：
VF為IED的正向電流；
VF為LED在正向電流為，IF時的壓降；
VD為防反二極管的壓降(可選)；
y為每串LED的數(shù)目；
x為并聯(lián)LED的串?dāng)?shù)。
由圖1可得LED的線性化數(shù)學(xué)模型為

式中：Vo為單個LED的開通壓降；
Rs為單個LED的線性化等效串聯(lián)電阻。
則式(1)限流電阻的計算可寫為

當(dāng)電阻選定后，電阻限流電路的IF與VF的關(guān)系為

由式(4)可知電阻限流電路簡單，但是，在輸入電壓波動時，通過LED的電流也會跟隨變化，因此調(diào)節(jié)性能差。另外，由于電阻R的接人損失的功率為xRIF，因此效率低。

3．2線性調(diào)節(jié)器
線性調(diào)節(jié)器的核心是利用工作于線性區(qū)的功率三極管或MOSFFET作為一動態(tài)可調(diào)電阻來控制負(fù)載。線性調(diào)節(jié)器有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。

圖5(a)所示為并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器又稱為分流調(diào)節(jié)器(圖中僅畫出了一個LED，實際上負(fù)載可以是多個LED串聯(lián)，下同)，它與LED并聯(lián)，當(dāng)輸入電壓增大或者LED)減少時，通過分流調(diào)節(jié)器的電流將會增大，這將會增大限流電阻上的壓降，以使通過LED的電流保持恒定。

由于分流調(diào)節(jié)器需要串聯(lián)一個電阻，所以效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒定的調(diào)節(jié)。

圖5(b)所示為串聯(lián)型調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸入電壓增大時，調(diào)節(jié)動態(tài)電阻增大，以保持LED上的電壓(電流)恒定。

由于功率三極管或MOSFET管都有一個飽和導(dǎo)通電壓，因此，輸入的最小電壓必須大于該飽和電壓與負(fù)載電壓之和，電路才能正確地工作。

3．3開關(guān)調(diào)節(jié)器
上述驅(qū)動技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驅(qū)動時，由于電流只有幾個mA，因此損耗不明顯，當(dāng)用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅(qū)動時，功率電路的損耗就成了比較嚴(yán)重的問題。開關(guān)電源是目前能量變換中效率最高的，可以達到90％以上。Buek、Boost和Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅(qū)動，只是為了滿足LED的恒流驅(qū)動，采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進行反饋控制。

圖6(a)為采用Buck變換器的LED驅(qū)動電路，與傳統(tǒng)的Buek變換器不同，開關(guān)管S移到電感L的后面，使得S源極接地，從而方便了S的驅(qū)動，LED與L串聯(lián)，而續(xù)流二極管D與該串聯(lián)電路反并聯(lián)，該驅(qū)動電路不但簡單而且不需要輸出濾波電容，降低了成本。但是，Buck變換器是降壓變換器，不適用于輸入電壓低或者多個LED串聯(lián)的場合。

圖6(b)為采用Boost變換器的LED驅(qū)動電路，通過電感儲能將輸出電壓泵至比輸入電壓更高的期望值，實現(xiàn)在低輸入電壓下對LED的驅(qū)動。

圖6(c)為采用Buck―Boost變換器的LED驅(qū)動電路。與Buek電路相似，該電路S的源極可以直接接地，從而方便了S的驅(qū)動。Boost和 Buck-Boosl變換器雖然比Buck變換器多一個電容，但是，它們都可以提升輸出電壓的絕對值，因此，在輸入電壓低，并且需要驅(qū)動多個LED時應(yīng)用較多。

4 超高亮LED的驅(qū)動控制芯片介紹
根據(jù)高亮LED大功率恒流驅(qū)動的特點，很多公司都推出了高亮LED的專用驅(qū)動控制芯片，例如：Melexis、lnfinton(英飛凌)、Lienear Technology(凌特)、Supenex Inc、Analog。Devices(ADI)等。

4．1 MLxl0801芯片介紹
MLXl0801是Melexi8公刊的一款針對汽車應(yīng)用的LED驅(qū)動芯片，該芯片還可以用于繼電器等線圈的驅(qū)動，以及用作電子熔斷器。MLx10801芯片的原理框圖如圖7所示，它集成了功率MOSFET，最大驅(qū)動電流為350mA。用作LED驅(qū)動時，它具有如下特點：
―外邵應(yīng)用電路簡單；
―內(nèi)部／外部溫度檢測保護；
―高效率的開關(guān)電源驅(qū)動；
―可以通過PWM輸入控制亮度；
―LED的參數(shù)可以調(diào)節(jié)并可以存儲到片內(nèi)NV存儲器中。
MLX10801雖然僅有8個管腳，但功能強大，表2為MLXl0801的管腳功能介紹。

圖8為MlJXl0801的典型應(yīng)用電路，LED、L、D2、Rsense和MLXl0801內(nèi)集成的MOSFET組成一個典型的Buck型LED驅(qū)動電路。圖8中的LED可以根據(jù)亮度需要采用多個LEI)串聯(lián)。MLXl0801通過檢測Rsense上的電壓來檢測通過LED的峰值電流，將該電流值與設(shè)定的基準(zhǔn)值比較，通過控制腳DRV0UT的脈寬，來控制LED電流的大小。CONTR可以用作外部的開／關(guān)控制，或者輸入PWM信號來控制LED閃爍。當(dāng)不需要控制時，可以將該管腳通過電阻R與腳VS相連。DSENSE用于連接外部的熱敏電阻檢測LED溫度，保護IED。雖然MLXl0801芯片內(nèi)部具有內(nèi)置熱敏電阻，但是，為了保證芯片與LED相距較遠(yuǎn)時仍能夠正確檢測到溫度，MIX10801仍然設(shè)置了腳DSENSE來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度的檢測。腳CALIB用來與控制器通訊，用于接受控制器設(shè)定LED的電流、允許最高溫度、采用內(nèi)部溫度檢測還是外部溫度檢測、是否防抖、軟啟動時間等參數(shù)。

4.2 大功率LED驅(qū)動芯片的比較
表3所列為當(dāng)前主要大功率IED驅(qū)動控制芯片性能比較，在應(yīng)用大功率IED驅(qū)動控制芯片時，可以依據(jù)不同的應(yīng)用場合進行選擇：
1)當(dāng)需要較高功率時可選擇功率器件沒有集成在芯片內(nèi)的控制器，這樣就可以按照實際的功率需求單獨選擇功率器件；
2)當(dāng)需要較高的變換效率時，如便攜式設(shè)備等，可選擇開關(guān)電源類的驅(qū)動電路；
3)當(dāng)應(yīng)用于可靠性高的設(shè)備中，可選擇具有溫度保護、故障報警等控制功能全面的芯片。

5 結(jié)語
隨著技術(shù)的進步，超高亮LED的功率會進一步提高，成本也會降低，高效節(jié)能的超高亮LED必將廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域。而低成本，高可靠性的驅(qū)動電路，是保證LED具有持久亮度的關(guān)鍵。