LED驅(qū)動(dòng)原理介紹及應(yīng)用案例

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(yīng)用一直還存在一些難點(diǎn)，因?yàn)?W 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(shì)。此外，由于3W LED燈的電流高達(dá)700mA，一次充電后的電池使用時(shí)間縮短。盡管如此，對(duì)于上述應(yīng)用國(guó)家半導(dǎo)體提供LM3475、LM2623A和LM3485等方案。

礦燈也是LED燈的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，它屬于特種照明行業(yè)，需要專(zhuān)業(yè)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)對(duì)LED在礦燈領(lǐng)域的應(yīng)用一直都很重視。目前，LED設(shè)計(jì)行業(yè)存在對(duì)特種行業(yè)的需求認(rèn)識(shí)不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)中常采用一些不切實(shí)際的、新奇的設(shè)計(jì)方案。例如，將LED燈和電池一起嵌入頭盔，卻沒(méi)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(chǎng)的應(yīng)用一直沒(méi)有打開(kāi)局面的重要原因。

對(duì)于礦燈LED應(yīng)用，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(hù)采用一顆1W的LED燈，周?chē)俜?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(guó)家半導(dǎo)體為此提供完整的新型LED驅(qū)動(dòng)解決方案。

圖3：基于LM2734的恒流驅(qū)動(dòng)電路。

高效的恒流驅(qū)動(dòng)電路

恒壓供電的基本電路(圖1左)采用反饋電阻RFB1和RFB2，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，VFB也隨之變化，DC/DC穩(wěn)壓器通過(guò)感知VFB的變化，使輸出電壓維持在一個(gè)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(shí)現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)換的原理。

一般來(lái)說(shuō)，DC/DC穩(wěn)壓器對(duì)VFB的變化有一個(gè)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(duì)于1W的LED來(lái)說(shuō)，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(jì)對(duì)提高LED的功效至關(guān)重要，它應(yīng)該選取盡可能小的數(shù)值。

圖4：從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設(shè)計(jì)。

由于直接將RFB連接FB端會(huì)造成RFB的功耗過(guò)大，所以在FB端和RFB之間放置一個(gè)運(yùn)算放大器，以放大RFB采集到的電壓VTAP(圖2)。

IF=VTAP/RFB=(VFB/RFB)*(1+RF/RI) (3)

通常，1W大功率LED的典型工作電流為350mA，如果選擇RFB等于1歐姆，則RFB的功耗為：

PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W (4)

考慮運(yùn)算放大器本身的功耗，RFB及其附屬電路的功耗大約為1W LED功率的12%。這樣就能在確保LED獲得恒流供電的同時(shí)，將RFB的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓盡可能大，流經(jīng)的電流也盡可能大。國(guó)家半導(dǎo)體按照這個(gè)原理工作的穩(wěn)壓器有LM2736和LM2734。

LM2734是1A降壓型穩(wěn)壓器。基于LM2734的恒流驅(qū)動(dòng)電路(圖3)利用LM321運(yùn)算放大器獲取采樣電阻Rset上的電壓，結(jié)合其它電阻和電容就可以構(gòu)成一個(gè)完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)際使用中，有些LED恒流驅(qū)動(dòng)電路可以直接從采樣電阻獲取反饋電壓，如圖4所示。

圖3中采樣電阻Rset決定了恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，而且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率有重要影響，因此仔細(xì)設(shè)計(jì)Rset對(duì)節(jié)省能源至關(guān)重要。圖3和圖4的詳細(xì)設(shè)計(jì)文件請(qǐng)向國(guó)家半導(dǎo)體當(dāng)?shù)厥跈?quán)分銷(xiāo)商索取。

一般來(lái)說(shuō)，如果要求LED驅(qū)動(dòng)電流的變化不超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值的5%至10%，那么采用精度為2%的電阻就足夠了。LED驅(qū)動(dòng)電流的典型波動(dòng)范圍是正負(fù)10%。由于采樣電阻消耗的功率較大，應(yīng)避免使用功率較小的貼片電阻。此外，LM3478方案適用于多個(gè)大功率LED的恒流驅(qū)動(dòng)，而基于LM5021的恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案則針對(duì)220V AC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。