為高亮度LED提供高效電流驅(qū)動(dòng)

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)。

關(guān)鍵詞：高亮度LED；驅(qū)動(dòng)電流；DC/DC轉(zhuǎn)換器；亮度控制

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(wàn)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)?；谶@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。


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


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

　　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的電流很小；一旦正向電壓達(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。

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。

表1  限流方式比較
1假設(shè)一個(gè)白色LED：VF=4V、ILED=350mA、VIN=12V。

　　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。

表2  圖1電路的基本參數(shù)


　　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


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)語(yǔ)

　　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。