高亮度大功率LED驅(qū)動設(shè)計集

　　建立一個基于LED的系統(tǒng)需要完成以下任工作：1. 確定LED使用數(shù)量以及LED之間的連接方案;2. 選擇線形模式或開關(guān)模式來驅(qū)動LED;3. 選擇供電電源，即直流電壓、交流電源或電池;4. 光學(xué)分系統(tǒng)例如透鏡、表層濾鏡等。LED的數(shù)量取決于對亮度的要求與LED的驅(qū)動電流。本文介紹了大功率LED和高亮度LED的多種驅(qū)動方法。

　　LED的連接方案

　　當(dāng)LED的數(shù)量大于一時，就必須要確定一種LED連接方案。在選擇連接方案時并無硬性規(guī)則。有時只是偏愛問題。有時LED的連接方案可依據(jù)驅(qū)動器的選擇來決定。有時可用供電電源和所需效能也會影響連接方案的選擇。

　　LED的連接一般分為三種主要結(jié)構(gòu)，即串聯(lián)、并聯(lián)(共陽極、共陰極、共陽極與共陰極)，以及串、并混聯(lián)(2個LED串聯(lián)、N個LED串聯(lián))

　　1. 串聯(lián)

　　圖1所示為LED的串聯(lián)電路。串聯(lián)電路中LED電流處處相等。串聯(lián)的優(yōu)點是，如果其中之一的LED開路，所有的LED都不會發(fā)光。串聯(lián)兩端的總VF變大，但對電流的需求變小。LED驅(qū)動電路輸出的LED電壓必須大于串聯(lián)中總的VF電壓。通常，額定LED輸出電壓越接近串聯(lián)中總的VF電壓，LED的效能越大。

　　2. 共陽極并聯(lián)或共陰極并聯(lián)

　　當(dāng)需要獨立調(diào)整每一個LED的電流時，會使用共陽極或共陰極并聯(lián)。并聯(lián)的優(yōu)點是，當(dāng)一個LED開路時，不會對其他LED造成影響。并聯(lián)的缺點是，電路需要較高的額定電流。

　　3. 共陽極并聯(lián)與共陰極并聯(lián)

　　LED導(dǎo)通電壓之間的差異會導(dǎo)致電流參差。通過使用最小數(shù)量具有匹配特性(電特性、熱特性和使用壽命)的LED可以避免出現(xiàn)這一情況，把若干具有匹配特性的LED放在一起就相當(dāng)于一個具有較高額定電流的較大LED。由于具有不同的老化特性和熱特性，這些相匹配的LED可能會逐漸分化。

　　4. 串并混聯(lián)

　　圖3是串并聯(lián)混合的例子。這種連接方案通常是總VF需求與總電流需求的折衷方案，因此它更適合于有效LED驅(qū)動。

　　LED驅(qū)動電路

　　連接方案會影響所需驅(qū)動通道的數(shù)目。大多數(shù)LED驅(qū)動器一般只有一個通道。然而，部分多通道LED驅(qū)動器也是可用的。在共陽極或共陰極的結(jié)構(gòu)中，每個通道可控制單個串聯(lián)支路上的LED或者并聯(lián)LED中的單個支路。驅(qū)動串聯(lián)LED需滿足以下條件：

　　1. 輸出LED驅(qū)動電壓必須大于串聯(lián)LED總的VF電壓;

　　2. LED驅(qū)動恒定電流輸出必須大于等于LED要求的電流。如果電流較大，可使用PWM減小或改變電路電流，例如傳感電阻器。通常LED驅(qū)動器被分為線性LED驅(qū)動器和開關(guān)模式LED驅(qū)動器。

　　線性LED驅(qū)動器效率較低并且通常占用較大空間。開關(guān)模式LED驅(qū)動器效率更高并且更小巧。但是，它們都具有電噪聲與輻射性噪聲問題并且設(shè)計復(fù)雜。

　　當(dāng)輸入供電電壓低于LED總的VF時，就必須使用開關(guān)模式LED驅(qū)動器。究竟選擇線性LED驅(qū)動器還是開關(guān)模式LED驅(qū)動器，可根據(jù)它們的有效供電電壓和工作效率直接判定。

　　將穩(wěn)壓器變?yōu)長ED驅(qū)動器

　　一個標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓器擁有下列插腳，VIN、GND、VOUT和FB。FB引腳通過檢測一個輸入電壓來控制穩(wěn)壓器輸出電壓。對于恒定電流LED驅(qū)動器，必須要有電流檢測。通過在LED的電流通路中安插一個電阻，將LED電流轉(zhuǎn)變?yōu)镕B引腳上的一個可測電壓。通常將電阻器安插到LED陰極一側(cè)來測定低端電壓，否則只能將電阻器安插到LED陽極一側(cè)來測定高端電壓。此時需要一個帶有高共模抑制比的差動放大器來測定電阻器兩端的電壓。

　　低壓側(cè)電阻值為VFB/ILED，而高壓側(cè)的電阻值為VFB/(ILED×AV)。

　　其中，VFB是FB引腳的校準(zhǔn)反饋電壓;ILED是LED需要的電流;AV是差動放大器的增益。

　　對于線性LED驅(qū)動器而言，被驅(qū)動的LED數(shù)目為：

　　對于開關(guān)式LED驅(qū)動器而言，被驅(qū)動的LED數(shù)目為：

　　其中，VIN是輸入供電電壓;VDO是輸入和輸出的電壓差異;VR是電阻器兩端的檢測電壓;VOR是串聯(lián)的所有LED的額定輸出電壓;VF是標(biāo)準(zhǔn)的單個LED導(dǎo)通電壓。

線性LED驅(qū)動器的例子

　　1. 單電阻限流

　　用一個電阻來限制LED的直流供電電流。單電阻限流的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但由于LED的導(dǎo)通電壓會產(chǎn)生漂移，所以LED電流并不穩(wěn)定。

　　該電阻為：

　　其中，VF是幾個LED串的電壓;IF為LED的電流;VIN為輸入電壓。

　　2. LM317或LM317HV

　　如圖6所示，將LM317HV穩(wěn)壓器用作LED驅(qū)動器。

　　LM317HV將ADJ與OUT之間的電壓穩(wěn)定在1.23V，此時，LED的電流為ILED=1.23/R。

　　相對單電阻驅(qū)動器此電路的優(yōu)點是雖然LED的導(dǎo)通電壓會產(chǎn)生漂移LED電流仍將保持恒定。

　　3. LM2941

　　另一個驅(qū)動器LM2941類似于LM317。LM2941穩(wěn)壓器的最大輸入電壓為26V。LM2941將ADJ與GND端點之間的電壓穩(wěn)定在1.275V。圖7所示，LED驅(qū)動器LM2941提供354mA的驅(qū)動電流。

　　4. LT3021

　　另一個線性穩(wěn)壓器是LT3021，它的最高輸入電壓為10V，最大電流額定值為500mA。LT3021將ADJ與GND端點之間的電壓穩(wěn)定在0.2V。LED電流即為R/0.2，開斷電壓為160mV。如果LED的VF為3.6V，串聯(lián)LED的數(shù)量為2。

　　5. TLE4242G

　　VREF將ADJ與GND引腳之間的電壓穩(wěn)定在177mV，最大輸入電壓