照明用LED的低壓驅動技術分析

照明用LED光源的VF電壓都很低，一般VF=2.75-3.8V，IF在15-1400mA;因此LED驅動IC的輸出電壓是VFXN或VFX1,IF恒流在15-1400mA。LED燈具使用的LED光源有小功率(IF=15-20mA)和大功率(IF>200mA))二種，小功率LED多用來做LED日光燈、裝飾燈、格柵燈;大功率LED用來做家庭照明燈、射燈、水底燈、洗墻燈、路燈、隧道燈、汽車工作燈等。功率LED光源是低電壓、大電流驅動的器件，其發(fā)光的強度由流過LED的電流大小決定，電流過強會引起LED光的衰減，電流過弱會影響LED的發(fā)光強度，因此，LED的驅動需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時達到理想的發(fā)光強度。在LED照明領域，要體現出節(jié)能和長壽命的特點，選擇好LED驅動IC至關重要，沒有好的驅動IC的匹配，LED照明的優(yōu)勢無法體現。

1 LED工作要素

LED工作的主要參數是VF、IF，其它相關的是顏色/色溫/波長/亮度/發(fā)光角度/效率/功耗等。LED是一個P-N結二極管，只有施加足夠的正向電壓才能傳導電流。VF正向電壓是為LED發(fā)光建立一個正常的工作狀態(tài)，IF正向電流是促使LED發(fā)光，發(fā)光亮度與流過的電流成正比例。LEDVF標稱電壓：3.4V±0.2V。

LEDIF工作電流按應用需要選用，各檔不能混用。

LED燈用各檔LED電流見下表：

2 大功率照明用LED

大功率照明用LED其封裝從成品來看是單顆芯片的，其實是用N顆LED管芯封裝在一個單位里的。它們的排列組合是串并聯，它們是N個串聯，再N個并聯，然后由二點聯接電源(圖1)。選用時要特別注意它的VF和IF。

圖1 大功率照明用LED內部結構

3 LED燈具驅動原理

LED燈具驅動需要先將高壓的交流電變換成低壓的交流電(AC/AC)，然后將低壓的交流電經橋式整流變換成低壓的直流電(AC/DC)，再通過高效率的DC/DC開關穩(wěn)壓器降壓和變換成恒流源，輸出恒定的電流驅動LED光源。LED光源是按燈具的設計要求由小功率或大功率LED多串多并而組成。每串的IF電流是按所選用的LED光源IF要求設計，總的正向電壓△VF是N顆LED的總和。

LED燈具驅動原理如圖2所示。

LED燈具選用36V以下的交流電源可以考慮非隔離供電，如選用220V和100V的交流電源應考慮隔離供電。

圖2 LED燈具驅動原理

4 LED燈具的低壓驅動

目前MR11、MR16射燈、水底燈、洗墻燈、路燈、隧道燈、汽車工作燈等LED燈具大多選用散熱較好的自帶銅基或鋁基板的1W、3W大功率LED光源，使用AC/DC12-36V電源，因而需要使用DC/DC的降壓(Buck)+恒流給LED提供VF和IF。LED燈具大多使用低壓電源，因此在這類燈具的電路設計上，LED的串聯個數在1-9顆，尤以1-3顆為常見。串聯的總△VF應低于電源Vin。如三顆LED串聯，△VF=3.4VX3=10.2V。在Vin>12V，能正常工作。MR11、MR16射燈常見的是1WX3串聯或3WX1;水底燈常見的是1WX3串聯2-3并，三個一組;洗墻燈常見的是1WX7-9串聯;路燈常見的是1WX9串聯3并，4--6個一組;、汽車工作燈常見的是1WX3-6串聯3并。當然LED的串并聯的方案是多種多樣的，串聯個數與其工作電壓(Vin)有關，這里就DC12-36V工作電壓而言。目前1W的LED光源散熱較好，因此選用較多。

4.1 LED燈具對低壓驅動芯片的要求

1)驅動芯片的標稱輸入電壓范圍應當滿足DC8-40V，以覆蓋應用面的需要，耐壓如能大于45V更好;AC12V或24V輸入時簡單的橋式整流器輸出電壓會隨電網電壓波動，特別是電壓偏高時輸出直流電壓也會偏高，驅動IC如不能適應寬電壓范圍，往往在電網電壓升高時會被擊穿，LED光源也因此被燒毀。

2)驅動芯片的標稱輸出電流要求大于1.2-1.5A，作為照明用的LED光源，1W功率的LED光源其標稱工作電流為350mA，3W功率的LED光源其標稱工作電流為700mA，功率大的需要更大的電流，因此LED照明燈具選用的驅動IC必需有足夠的電流輸出，設計產品時必需使驅動IC工作在滿負輸出的70-90%的最佳工作區(qū)域。使用滿負輸出電流的驅動IC在燈具狹小空間散熱不暢，容易疲勞和早期失效。

3)驅動芯片的輸出電流必需長久恒定，LED光源才能穩(wěn)定發(fā)光，亮度不會閃爍;同一批驅動芯片在同等條件下使用，其輸出電流大小要盡可能一致，也就是離散性要小，這樣在大批量自動化生產線上生產才能有效和有序;對于輸出電流有一定離散性的驅動芯片必選在出廠或投入生產線前分檔，調整PCB板上電流設定電阻(Rs)的阻值大小，使之生產的LED燈具恒流驅動板對同類LED光源的發(fā)光亮度一致，保持最終產品的一致性。

4)驅動芯片的封裝應有利于驅動芯片管芯的快速散熱，如將管芯(Die)直接綁定在銅板上，并有一Pin直接延伸到封裝外，便于直接焊接在PCB板的銅箔上迅速導熱(圖3)。如在一個類似4X4mm的硅片管芯上，要長時間通過300-1000mA的電流，必然有功耗，必然會發(fā)熱，芯片本身的物理散熱結構也是至關重要的。

圖3 驅動IC剖面 驅動IC俯視

5)驅動芯片本身的抗EMI、噪音、耐高壓的能力也關系到整個LED燈具產品能否順利通過CE、UL等認證，因此驅動芯片本身在設計伊始就要選用優(yōu)秀的拓樸結構和高壓的生產工藝。

6)驅動芯片自身功耗要求小于0.5W，開關工作頻率要求大于120Hz，以免工頻干擾而產生可見閃爍應用方案簡潔的PT4115：

PT4115具備高度集成的DC/DC-Buck→ConstantCurrent功能，它能將直流電壓直接轉換成穩(wěn)定的恒流輸出。應用方案簡潔的PT4115實用電路如圖4。

圖4 應用方案簡潔的PT4115實用電路