低電流LED應(yīng)用的線性恒流開關(guān)穩(wěn)壓方案
憑借著節(jié)能、長使用壽命及色彩組合豐富等優(yōu)勢,LED成為增速最快的半導(dǎo)體領(lǐng)域之一,近年來的年復(fù)合增長率(CAGR)高達(dá)20%,預(yù)計2012年全球LED市場總值更將達(dá)114億美元,前景非常可觀。
市場上典型的LED驅(qū)動器包括兩類,即線性驅(qū)動器和開關(guān)驅(qū)動器;進(jìn)一步細(xì)分,則有三種,分別是開關(guān)穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)壓器和電阻型驅(qū)動器。這三種驅(qū)動器分別適合不同等級的電流應(yīng)用,見圖1。如電流大于500 mA的大電流應(yīng)用采用開關(guān)穩(wěn)壓器,因為線性驅(qū)動器限于自身結(jié)構(gòu)原因,無法提供這樣大的電流;而在電流低于200 mA的低電流應(yīng)用中,通常采用線性穩(wěn)壓器及電阻型驅(qū)動器;而在200至500 mA的中等電流應(yīng)用中,既可以采用線性穩(wěn)壓器,也可以采用開關(guān)穩(wěn)壓器。
圖1:不同電流范圍所適用的LED驅(qū)動器。
開關(guān)穩(wěn)壓器的能效高,并提供極佳的亮度控制。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡單,易于設(shè)計,提供穩(wěn)流及過流保護(hù),具有外部電流設(shè)定點(diǎn),且沒有電磁兼容性(EMC)問題。電阻型驅(qū)動器利用電阻這樣的簡單分立器件,限制LED串電流,是一種經(jīng)濟(jì)的LED驅(qū)動方案,同樣易于設(shè)計,且沒有EMC問題。
安森 美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應(yīng)商,為不同的LED應(yīng)用提供豐富的開關(guān)穩(wěn)壓器及線性穩(wěn)壓器選擇。與此同時,市場上的客戶也需要一種比開關(guān)穩(wěn)壓器和普通線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟(jì)、但在性能上又比電阻型驅(qū)動高出許多的驅(qū)動方案。在這種情況下,安森美半導(dǎo)體運(yùn)用正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術(shù),結(jié)合自身超強(qiáng)的工藝控制能力,推出一種新的LED驅(qū)動方案——分立線性恒流穩(wěn)壓器(CCR),填補(bǔ)了這個市場空隙,并進(jìn)一步豐富了安森美半導(dǎo)體寬廣的LED驅(qū)動器產(chǎn)品陣容。
低電流LED應(yīng)用及驅(qū)動器比較
新的線性恒流穩(wěn)壓器適合20 mA至200 mA的低電流LED應(yīng)用。如在汽車應(yīng)用中,組合尾燈的電流要求通常只有數(shù)十毫安(mA)。此外,在廣告牌文字電路、背光顯示牌等商業(yè)及工業(yè)應(yīng)用中,輸入電壓通常為高至30 Vdc,而LED電流在20 mA至150 mA之間。而在裝飾照明、工作燈、景觀照明、柜臺照明等建筑物及通用照明應(yīng)用中,輸入電壓通常為12至48 Vac或120/220 Vac,而LED電流也僅在20至100 mA之間。此外,電冰箱和洗衣機(jī)等家用電器中也采用LED為小型LCD顯示屏背光或替代照明燈泡,這類應(yīng)用同樣需要低電流的LED驅(qū)動器。
在低電流LED應(yīng)用中,電阻型驅(qū)動器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡單,但這種驅(qū)動器在低電壓條件下,正向電流較低,會導(dǎo)致LED亮度不足,且在負(fù)載突降等瞬態(tài)條件下,LED可能受損。而且,這種解決方案需要恰當(dāng)?shù)腖ED編碼(binning),電阻庫存大,且能效低。
與電阻型驅(qū)動器相比,線性恒流穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定電流,在寬電壓范圍下提供恒定亮度,在高輸入電壓時保護(hù)LED,使其免于過驅(qū)動,在低輸入電壓時提供更高的亮度。而得益于其恒流特性,客戶可以減少或消除源自不同供應(yīng)商提供的不同LED的編碼成本,使系統(tǒng)總成本更低。
圖2:CCR結(jié)合電阻型驅(qū)動器與線性穩(wěn)壓器所長,填補(bǔ)了市場空隙。
我們可以通過實際的測試來驗證這兩種驅(qū)動器的性能對比情況,見圖3。測試中對比了分別采用這兩種驅(qū)動器實現(xiàn)的組合尾燈,其中的CCR是穩(wěn)定電流為25 mA的器件。從圖中可以看出,在9 V的相同輸入電壓時,CCR比電阻型驅(qū)動器的電流高,使LED更亮。在13 V的相同電壓輸入時,二者亮度一致。電壓高于13 V后,CCR的電流逐漸穩(wěn)流到25 mA,而電阻型驅(qū)動器的電流則一直上升,可能導(dǎo)致LED過驅(qū)動,從而損壞LED。此外,CCR提供的電流精度達(dá)±10%,完全滿足應(yīng)用要求,而電阻型的電流精度僅為±50%,相差甚遠(yuǎn)。
圖3:電阻型驅(qū)動器與穩(wěn)流電流為25 mA的線性恒流穩(wěn)壓器的V-I曲線比較。
基于專利SBT技術(shù)的簡單、經(jīng)濟(jì)及強(qiáng)固的線性恒流穩(wěn)壓器
安森美半導(dǎo)體的線性恒流穩(wěn)壓器基于安森美半導(dǎo)體正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術(shù),提供一定程度的集成,并結(jié)合安森美半導(dǎo)體的超強(qiáng)的工藝控制能力,為低電流應(yīng)用提供簡單(Simple)、經(jīng)濟(jì)(Economical)及強(qiáng)固(Robust)的LED驅(qū)動解決方案。
具體而言,這器件的雙端非常易于設(shè)計,適合高端(High-side)及低端(Low-side)應(yīng)用,且不需要外部元件,非常簡單。它的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在消除LED編碼,降低庫存成本,以及保護(hù)LED,降低替代及維護(hù)成本。安森美半導(dǎo)體還規(guī)劃推出三端可調(diào)節(jié)輸出的線性恒流穩(wěn)壓器,它們的結(jié)構(gòu)示意圖見表1。
值得一提的是,安森美半導(dǎo)體的線性恒流穩(wěn)壓器支持采用120/220 Vac供電,如在建筑物及通用照明應(yīng)用中,120/220 Vac交流市電輸入經(jīng)過橋式整流后,只需要保證輸入電壓減去LED串總電壓后所剩下的電壓不超過這線性恒流穩(wěn)壓器45 V的陽極-陰極最大電壓VAK即可。這同樣體現(xiàn)出它的易于設(shè)計特性。
而在強(qiáng)固性方面,安森美半導(dǎo)體的這系列器件表現(xiàn)非常突出。例如,其設(shè)計帶有負(fù)溫度系數(shù)(NTC),在極端的電壓和工作溫度下保護(hù)LED免受熱失控影響。例如,采用SOT-223表面貼裝封裝的器件尺寸為7.0 mm x 6.5 mm x 1.6 mm,85℃時能在電路板上500 mm長/不到29克重的銅片上耗散630 mW的功率,非常適用于極端的熱工作環(huán)境。此外,這些器件通過了嚴(yán)格的AEC101汽車標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證,適用苛刻的汽車應(yīng)用要求。這些器件還承受開關(guān)瞬態(tài)及電壓尖峰,并具備良好的靜電放電(ESD)額定脈沖等級,測得為1.8 kV。此外,這些器件還支持環(huán)保,使用無鹵素模子化合物,并符合無鉛RoHS指令要求。
安森美半導(dǎo)體首批NSI45系列10款雙端線性恒流穩(wěn)壓器已于2009年5月推出,這些器件提供±10%及±15%的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流(Ireg)容限,額定電壓為45 V,工作溫度范圍-40℃至85℃,最高結(jié)溫度為150℃,提供20 mA、 25 mA及30 mA器件等不同選擇,采用SOD-123及SOT223封裝,目標(biāo)市場包括汽車應(yīng)用中的內(nèi)部及外部LED照明,商業(yè)標(biāo)識應(yīng)用中的氖燈替代、交通信號等及顯示屏背光,建筑物及通用照明應(yīng)用中的平板交流照明、工作燈及裝飾燈、景觀及室外照明等。
安森美半導(dǎo)體服務(wù)的上述多個應(yīng)用市場都會涉及LED照明/背光。而安森美半導(dǎo)體使用寬廣范圍的技術(shù),為廣泛的LED照明應(yīng)用提供解決方案,發(fā)揮高能效電源方案的核心優(yōu)勢。安森美半導(dǎo)體針對低電流LED照明應(yīng)用推出的新的簡單、經(jīng)濟(jì)及強(qiáng)固的線性恒流穩(wěn)壓器解決方案,拓寬了安森美半導(dǎo)體已有的包括開關(guān)穩(wěn)壓器及普通線性穩(wěn)壓器的LED驅(qū)動器產(chǎn)品陣容,非常適合于汽車內(nèi)部/外部照明、商業(yè)標(biāo)識牌及建筑物L(fēng)ED照明應(yīng)用需求。
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