高亮度LED驅(qū)動(dòng)電路

　　前言

　　高亮度LED效率高，可靠性好，是一種非常有前途的低能耗電源。由于led的正向電壓變動(dòng)范圍大，V/I關(guān)系曲線陡峭，因此需要恒流驅(qū)動(dòng)，不同的應(yīng)用有各自的電源要求，如景觀照明常使用低壓交流電源，汽車(chē)用照明則是低壓直流電源，此外，高效驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)能工作在較寬的輸入電壓范圍，來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)串接的LED。本文介紹用NCP/NCV3065設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路。器件適用于交直流電源，可配置成不同的電路結(jié)構(gòu)，能提供多種輸出電流。NCP是為商用/工業(yè)溫度環(huán)境設(shè)計(jì)的，NCV則通過(guò)了汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證。

　　降壓型驅(qū)動(dòng)電路

　　圖1是直流供電驅(qū)動(dòng)電路，圖2是交流供電驅(qū)動(dòng)電路。LED亮度或光強(qiáng)是用流明來(lái)量度的，與流過(guò)LED的電流成正比，光效率是隨LED電流變化的，電路元件的選擇十分關(guān)鍵。

　　電感·選擇電感在電感大小和峰值電流間折衷。在常規(guī)應(yīng)用中，紋波電流在15%-100%間，降低紋波電流就要增加電感值，其優(yōu)點(diǎn)是使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電流最大化。

　　帶輸出電容工作，對(duì)常規(guī)的降壓型結(jié)構(gòu)，在電感后面加一個(gè)輸出電容，它是與LED或LED串并聯(lián)的，用以減少紋波電流。使用輸出電容能減少電感值。此外，電路可工作在較低的頻率來(lái)提高效率，擴(kuò)展輸出電壓范圍。輸出電容可根據(jù)電流紋波D來(lái)計(jì)算：

　　COUT=ΔI/Δv×8×f

　　=VIN×(1-D)×D/8×L×f2×ΔVOUT

　　不帶輸出電容工作。恒流型降壓穩(wěn)壓器主要是控制流經(jīng)負(fù)載的電流，而不是控制負(fù)載兩端上的電壓。NCP3065的開(kāi)關(guān)頻率在100KHz~300KHz之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人眼能察覺(jué)的頻閃。這就是為放寬對(duì)紋波電流要求創(chuàng)造了條件，允許有較高的峰—峰值，即將NCP3065配置在連續(xù)通導(dǎo)的降壓式結(jié)構(gòu)，消除了輸出電容。重要的設(shè)計(jì)參數(shù)是讓峰值電流保持在LED允許的最大電流以下，15%紋波值是最佳的折衷值，對(duì)常用的350mA、700mA與1,000mA LED電流值，分別選定紋波為±52.5mA、±105mA與±150mA。這時(shí)可選擇電感值為：

　　L=(VIN-VOUT)×TON/ΔIMAX

　　電流反饋環(huán)·為了讓LED處于恒流模式，穩(wěn)壓器的反饋是從器件COMP引腳處檢測(cè)電阻上電壓取得的。檢測(cè)電阻與COMP引腳間RC電路能改善變換器的瞬態(tài)響應(yīng)，參考的反饋電壓選定為235mV，

　　IOUT=VREF/Rsense=0.235V/Rsense(A)

　　亮度調(diào)節(jié)。LED發(fā)射光強(qiáng)度與平均輸出電流成正比。對(duì)亮度調(diào)節(jié)，普遍使用的是變占空比PWM信號(hào)來(lái)管理輸出電流值。NCP3065的COMP或IPK引腳用來(lái)提供亮度調(diào)節(jié)功能。在數(shù)字輸入模式，PWM輸入信號(hào)使穩(wěn)壓器斷續(xù)工作，從而減少了流過(guò)LED的平均電流。在模擬輸入模式，PWM輸入信號(hào)經(jīng)RC電路濾波，所產(chǎn)生的信號(hào)迭加在反饋電壓上來(lái)減少LED電流。RC元件值取決于PWM頻率。PWM頻率基本上在200Hz~1KHz之間，頻率低有利于降低EMI，但低于200Hz會(huì)使人眼感到頻閃。

　　脈沖反饋電路·NCP3065是脈沖串方式工作的，輸出開(kāi)關(guān)頻率與輸入和輸出條件有關(guān)。器件振蕩器產(chǎn)生一個(gè)由外部電容設(shè)定的恒頻信號(hào)，該信號(hào)由峰值電流比較器進(jìn)行門(mén)控，當(dāng)輸出電流高于閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉;當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)開(kāi)關(guān)通導(dǎo)并門(mén)控振蕩器。這樣工作方式可能會(huì)在輸出波形上產(chǎn)生過(guò)沖。使用脈沖反饋電路可減少過(guò)沖，從而穩(wěn)定開(kāi)關(guān)頻率，減少輸出紋波。脈沖反饋電路是在CT引腳與電感間加入一個(gè)電阻R8(參見(jiàn)圖1)實(shí)現(xiàn)的，一般在3KΩ~200KΩ之間。表1列出了典型應(yīng)用與推薦的R8值。

　　升壓型驅(qū)動(dòng)電路

　　升壓型變換器電路如圖3所示。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)通導(dǎo)時(shí)，輸入端有電流流過(guò)電感，Iton上升。當(dāng)開(kāi)關(guān)截止時(shí)，電流Itoff流經(jīng)二極管D至電容與負(fù)載。同時(shí)，電感上電壓疊加在輸入電壓上，只要該電壓高于輸出電壓，電流就會(huì)源源不斷地流過(guò)二極管。如果流過(guò)電感的電流總是正的，變換器工作在連續(xù)通導(dǎo)模式(CCM)。在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行著。

　　若變換器工作在CCP模式，輸出電壓為：

　　VOUT=VIN×1/(1-D)

　　占空比D為：

　　D=ton/(ton+toFF)=ton/T

　　輸入紋波電流定義為：

　　ΔI=VIN×D/(f×L)

　　負(fù)載電壓總是大于輸入電壓，此處

　　Vload=Vsense+n×Vf

　　上式中，Vf為L(zhǎng)ED正向壓降，Vsense為變換器參考電壓，n為串聯(lián)的LED個(gè)數(shù)。由于變換器要穩(wěn)定電流，使之與負(fù)載電壓的變動(dòng)無(wú)關(guān)，在反饋電壓處放置了一個(gè)檢測(cè)電阻：

　　Vsense=Icoad×Rsense

　　Vsense相當(dāng)于內(nèi)部參考電壓或反饋比較器閾值。

　　NCP3065升壓變換器十分適合電路板空間有限、存在高壓，高溫環(huán)境的汽車(chē)和工業(yè)LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。該器件具有峰值電流保護(hù)和熱關(guān)閉功能。在恒流工作方式，發(fā)生LED開(kāi)路故障時(shí)也需要保護(hù)的，不然輸出電流會(huì)不斷地對(duì)輸出電容充電，使電壓不斷地上升，此時(shí)，用一個(gè)外部穩(wěn)壓二極管來(lái)箝位輸出電壓。此外，NCP3065雖然已設(shè)計(jì)在40V工作，但存在感性負(fù)載的汽車(chē)應(yīng)用中，最好再增加一個(gè)外部瞬態(tài)電壓保護(hù)電路。

　　電路的主工作頻率由外部電容C4確定。Ton時(shí)間則由內(nèi)部反饋比較器、峰值電流比較器和主振蕩器控制。輸出電流由帶負(fù)反饋輸入的內(nèi)部反饋比較器確定。正輸入連接至0.235V內(nèi)部電壓基準(zhǔn)管。反饋電阻設(shè)定了正常LED電流：

　　IOUT=0.235/Rsense

　　器件還備有第二個(gè)比較器，閾值電壓為200mV電阻R1用來(lái)限制最大電流值：

　　Ipk=0.2/R1

　　R1可用單個(gè)150mΩ電阻，或是3個(gè)1Ω電阻并聯(lián)組合。最大輸出電壓由外部穩(wěn)壓二極管D2箝位，通常設(shè)定在36V。

　　結(jié)語(yǔ)

　　LED正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈燈泡，不斷地在建筑、工業(yè)、民居、汽車(chē)的照明中擴(kuò)大應(yīng)用范圍。單片集成變換器已能很好地解決功率LED的恒流驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。隨著技術(shù)的進(jìn)展，還能進(jìn)一步完善功能、提高效率、滿足不同應(yīng)用環(huán)境所要求的特性。

圖1 直流供電降壓變換器

圖2 交流供電降壓變換器

圖3 升壓變換器

表1 典型應(yīng)用推薦的電阻R8值