基于大功率LED恒流驅(qū)動器的設(shè)計及其實例
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大功率LED原理是是一個電光轉(zhuǎn)換的過程，當一個正向偏壓施加于PN結(jié)兩端，由于PN結(jié)勢壘的降低，P區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子也向P區(qū)擴散，同時在兩個區(qū)域形成非平衡電荷的積累。廣泛的應用于室內(nèi)外裝飾、特種照明方面，而大功率LED恒流驅(qū)動方案有利于對新的應用打下基礎(chǔ)。 恒流驅(qū)動和提高LED的光學效率是LED應用設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題，本文介紹大功率LED的應用及其恒流驅(qū)動方案的選擇指南，然后以美國國家半導體（NS）的產(chǎn)品為例，重點討論如何巧妙應用LED恒流驅(qū)動電路的采樣電阻提高大功率LED的效率，并給出大功率LED驅(qū)動器設(shè)計與散熱設(shè)計的注意事項。 驅(qū)動芯片的選擇 LED驅(qū)動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分，但它關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的可靠性。目前，美國國家半導體公司的LED驅(qū)動方案主要定位在中高端LED照明和燈飾等市場。燈飾分為室內(nèi)和室外兩種，由于室內(nèi)LED燈所應用的電源環(huán)境有AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器兩種方式，所以驅(qū)動芯片的選擇也要從這兩方面考慮。 圖1：可變電流和可變電壓基本電路 1、AC/DC轉(zhuǎn)換器 AC/DC分為220V交流輸入和12V交流輸入。12V交流電是酒店中廣泛應用的鹵素燈的電源，現(xiàn)有的LED可以在保留現(xiàn)有交流12V的條件下進行設(shè)計。針對替代鹵素燈的設(shè)計，美國國家半導體LM2734的主要優(yōu)勢是體積小、可靠性高、輸出電流高達1A,恰好適合鹵素燈燈口直徑小的特點。 取代鹵素燈之后，LED燈一般做成1W或3W.LED燈與鹵素燈相比有兩大優(yōu)勢：（1）光源比較集中，1W照明所獲得的亮度等同于十幾瓦鹵素燈的亮度，因此比較省電；（2） LED燈的壽命比鹵素燈長。 LED燈的主要弱點是燈光的射角太窄，成本相對較高。但從長遠來看，由于LED燈的壽命較長，所以還是具有非常大的成本優(yōu)勢。220V AC/DC轉(zhuǎn)換器（例如LM5021）主要鎖定舞臺燈和路燈市場。 2、 DC/DC轉(zhuǎn)換器 目前，LED手電筒占據(jù)了DC/DC轉(zhuǎn)換器的絕大部分需求量。手電筒采用的LED功率基本上是1W,供電方式包括鋰電池和鎳鋅電池、堿性電池等。3W 手電筒的應用一直還存在一些難點，因為3W LED燈本身需要散熱，散熱裝置的體積大，從而在一定程度上削弱了LED燈體積小的優(yōu)勢。此外，由于3W LED燈的電流高達700mA,一次充電后的電池使用時間縮短。盡管如此，對于上述應用國家半導體提供LM3475、LM2623A和LM3485等方案。 礦燈也是LED燈的主要應用領(lǐng)域之一，它屬于特種照明行業(yè)，需要專業(yè)的認證標準，中國對LED在礦燈領(lǐng)域的應用一直都很重視。目前，LED設(shè)計行業(yè)存在對特種行業(yè)的需求認識不足的問題，設(shè)計中常采用一些不切實際的、新奇的設(shè)計方案。例如，將LED燈和電池一起嵌入頭盔，卻沒有考慮到礦燈特殊使用環(huán)境的各種需求，這可能是造成LED在礦燈市場的應用一直沒有打開局面的重要原因。 對于礦燈LED應用，美國國家半導體提供了豐富的DC/DC穩(wěn)壓器產(chǎn)品，包括LM3485、LM3478和LM5010.已經(jīng)用戶采用一顆1W的LED燈，周圍再放6顆普通的高亮度LED燈，構(gòu)成一種具有特殊閃爍功能的礦燈。 總而言之，LED燈在燈飾和特種照明行業(yè)有著廣泛的發(fā)展前景，國家半導體為此提供完整的新型LED驅(qū)動解決方案。 圖3：基于LM2734的恒流驅(qū)動電路 高效的恒流驅(qū)動電路 恒壓供電的基本電路（圖1左）采用反饋電阻RFB1和RFB2,當負載電流發(fā)生變化時，VFB也隨之變化，DC/DC穩(wěn)壓器通過感知VFB的變化，使輸出電壓維持在一個固定的電平：V0=（VFB*（RFB1+RFB2））/RFB1 （1） 在圖1右邊電路中，DC/DC穩(wěn)壓器的FB是高阻輸入端，流經(jīng)LED的電流IF為：IF=VFB/RFB （2） 為保持IF恒定，DC/DC穩(wěn)壓器感知VFB,然后調(diào)整LED正端電壓，使流經(jīng)LED的電流保持恒定。這就是利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)換的原理。 一般來說，DC/DC穩(wěn)壓器對VFB的變化有一個感知的范圍，一旦LED選定，其工作電流IF的大小也就確定了，所選的電阻要保證VFB落在DC/DC穩(wěn)壓器容許的范圍內(nèi)。 以VFB等于1.25V為例，假設(shè)IF分別為15mA、350mA和700mA,采樣電阻的功耗將分別小于20mW、400mW和800mW.對于1W的LED來說，采樣電阻的功耗分別占到總電源消耗的2%、40%和80%.因此，采樣電阻的設(shè)計對提高LED的功效至關(guān)重要，它應該選取盡可能小的數(shù)值。
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