高亮度LED驱动电路

　　前言

　　高亮度LED效率高，可靠性好，是一种非常有前途的低能耗电源。由于led的正向电压变动范围大，V/I关系曲线陡峭，因此需要恒流驱动，不同的应用有各自的电源要求，如景观照明常使用低压交流电源，汽车用照明则是低压直流电源，此外，高效驱动电路还应能工作在较宽的输入电压范围，来驱动一个或多个串接的LED。本文介绍用NCP/NCV3065设计的LED驱动电路。器件适用于交直流电源，可配置成不同的电路结构，能提供多种输出电流。NCP是为商用/工业温度环境设计的，NCV则通过了汽车应用认证。

　　降压型驱动电路

　　图1是直流供电驱动电路，图2是交流供电驱动电路。LED亮度或光强是用流明来量度的，与流过LED的电流成正比，光效率是随LED电流变化的，电路元件的选择十分关键。

　　电感·选择电感在电感大小和峰值电流间折衷。在常规应用中，纹波电流在15%-100%间，降低纹波电流就要增加电感值，其优点是使开关稳压器的输出电流最大化。

　　带输出电容工作，对常规的降压型结构，在电感后面加一个输出电容，它是与LED或LED串并联的，用以减少纹波电流。使用输出电容能减少电感值。此外，电路可工作在较低的频率来提高效率，扩展输出电压范围。输出电容可根据电流纹波D来计算：

　　COUT=ΔI/Δv×8×f

　　=VIN×(1-D)×D/8×L×f2×ΔVOUT

　　不带输出电容工作。恒流型降压稳压器主要是控制流经负载的电流，而不是控制负载两端上的电压。NCP3065的开关频率在100KHz~300KHz之间，远远高于人眼能察觉的频闪。这就是为放宽对纹波电流要求创造了条件，允许有较高的峰—峰值，即将NCP3065配置在连续通导的降压式结构，消除了输出电容。重要的设计参数是让峰值电流保持在LED允许的最大电流以下，15%纹波值是最佳的折衷值，对常用的350mA、700mA与1,000mA LED电流值，分别选定纹波为±52.5mA、±105mA与±150mA。这时可选择电感值为：

　　L=(VIN-VOUT)×TON/ΔIMAX

　　电流反馈环·为了让LED处于恒流模式，稳压器的反馈是从器件COMP引脚处检测电阻上电压取得的。检测电阻与COMP引脚间RC电路能改善变换器的瞬态响应，参考的反馈电压选定为235mV，

　　IOUT=VREF/Rsense=0.235V/Rsense(A)

　　亮度调节。LED发射光强度与平均输出电流成正比。对亮度调节，普遍使用的是变占空比PWM信号来管理输出电流值。NCP3065的COMP或IPK引脚用来提供亮度调节功能。在数字输入模式，PWM输入信号使稳压器断续工作，从而减少了流过LED的平均电流。在模拟输入模式，PWM输入信号经RC电路滤波，所产生的信号迭加在反馈电压上来减少LED电流。RC元件值取决于PWM频率。PWM频率基本上在200Hz~1KHz之间，频率低有利于降低EMI，但低于200Hz会使人眼感到频闪。

　　脉冲反馈电路·NCP3065是脉冲串方式工作的，输出开关频率与输入和输出条件有关。器件振荡器产生一个由外部电容设定的恒频信号，该信号由峰值电流比较器进行门控，当输出电流高于阈值时，开关关闭;当低于阈值时开关通导并门控振荡器。这样工作方式可能会在输出波形上产生过冲。使用脉冲反馈电路可减少过冲，从而稳定开关频率，减少输出纹波。脉冲反馈电路是在CT引脚与电感间加入一个电阻R8(参见图1)实现的，一般在3KΩ~200KΩ之间。表1列出了典型应用与推荐的R8值。

　　升压型驱动电路

　　升压型变换器电路如图3所示。当功率开关通导时，输入端有电流流过电感，Iton上升。当开关截止时，电流Itoff流经二极管D至电容与负载。同时，电感上电压叠加在输入电压上，只要该电压高于输出电压，电流就会源源不断地流过二极管。如果流过电感的电流总是正的，变换器工作在连续通导模式(CCM)。在下一个开关周期，上述过程重复进行着。

　　若变换器工作在CCP模式，输出电压为：

　　VOUT=VIN×1/(1-D)

　　占空比D为：

　　D=ton/(ton+toFF)=ton/T

　　输入纹波电流定义为：

　　ΔI=VIN×D/(f×L)

　　负载电压总是大于输入电压，此处

　　Vload=Vsense+n×Vf

　　上式中，Vf为LED正向压降，Vsense为变换器参考电压，n为串联的LED个数。由于变换器要稳定电流，使之与负载电压的变动无关，在反馈电压处放置了一个检测电阻：

　　Vsense=Icoad×Rsense

　　Vsense相当于内部参考电压或反馈比较器阈值。

　　NCP3065升压变换器十分适合电路板空间有限、存在高压，高温环境的汽车和工业LED驱动器应用。该器件具有峰值电流保护和热关闭功能。在恒流工作方式，发生LED开路故障时也需要保护的，不然输出电流会不断地对输出电容充电，使电压不断地上升，此时，用一个外部稳压二极管来箝位输出电压。此外，NCP3065虽然已设计在40V工作，但存在感性负载的汽车应用中，最好再增加一个外部瞬态电压保护电路。

　　电路的主工作频率由外部电容C4确定。Ton时间则由内部反馈比较器、峰值电流比较器和主振荡器控制。输出电流由带负反馈输入的内部反馈比较器确定。正输入连接至0.235V内部电压基准管。反馈电阻设定了正常LED电流：

　　IOUT=0.235/Rsense

　　器件还备有第二个比较器，阈值电压为200mV电阻R1用来限制最大电流值：

　　Ipk=0.2/R1

　　R1可用单个150mΩ电阻，或是3个1Ω电阻并联组合。最大输出电压由外部稳压二极管D2箝位，通常设定在36V。

　　结语

　　LED正在逐步取代传统的白炽灯灯泡，不断地在建筑、工业、民居、汽车的照明中扩大应用范围。单片集成变换器已能很好地解决功率LED的恒流驱动问题。随着技术的进展，还能进一步完善功能、提高效率、满足不同应用环境所要求的特性。

图1 直流供电降压变换器

图2 交流供电降压变换器

图3 升压变换器

表1 典型应用推荐的电阻R8值