浅析超高亮LED的驱动功能与应用

    引言 

    发光二极管(Light Emitting Diode,LED)发明于20世纪60年代,它是利用半导体材料中的电子和空穴相互结合并释放出能量,使得能量带(Energy Gat,)位阶改变,以发光显示其所释放出的能量.LED具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速率快、耐震性佳等优点,被广泛应用于信号指示、数码显示等领域.随着技术的不断进步,超高亮LED的研制得到了成功,尤其是白光LED的研制成功,使得它越来越多地用在彩灯装饰、甚至照明领域. 

    1、超高亮LED的特点 

    与传统的照明灯相比,超高亮LED具有如下优点: 

    1)寿命长,可靠耐用,维护费用极为低廉LED可连续使用105h,比普通白炽灯泡长100倍; 

    2)高效率现在已经可以达到201m/w．预计到2005年将达到501m/W[1],LED)的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80%~90%,LED比节能灯还要节能1/4; 

    3)色彩鲜艳,光色单纯 以12英寸的红色交通信号灯为例,它采用低光效的140W白炽灯作为光源,所产生的2000lm的白光经红色滤光片后,光损失90%,只剩下2001m的红光,而在Lumileds Lighting公司采用18个红色LED光源设计的灯中,包括电路损失在内,仅耗电14W,即可产生同样的光效; 

    4)点亮速度快 汽车信号灯是LED光源应用的一个重要领域,由于LED响应速度快(ns级),在汽车上安装高位LED刹车灯,可以减少汽车追尾事故的发生. 

    尽管超高亮LED具有许多优点,但目前仍存在下述缺点: 

    1)功率低市面上的单体LED功率一般在5W以下,还没有出现更大功率的LED,这是目前LED难以成为照明首选的最大瓶颈; 

    2)需要严格控制温度 LED是一种半导体材料,与普通二极管一样具有PN结,由于高亮二极管的功率相对比较大,所以与功率半导体器件相同,需要考虑散热问题,结温过高会直接影响LED的寿命,并且会增大LED的光衰,情况严重的会将LED烧坏; 

    3)价格高除了功率低,价格是LED难以成为照明的主要因素,虽然LED目前已被大多数人认识,也被多数人看好,但其高昂的价格难以被消费者接受. 

    2、超高亮LED的特性 

    HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一种超高亮LED,本文以它为例分析超高亮LED的特性.图1为正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线,由曲线可知,当正向电压超过某个阈值(约2V),即通常所说的导通电压之后,可近似认为,IF与VF成正比.表1是当前主要超高亮LED的电气特性.由表1可知,当前超高亮LED的最高IF可达1A,而VF通常为3~4V.

 

    由于LED的光特性通常都描述为电流的函数,而不是电压的函数,光通量(φV)与IF的关系曲线如图2所示,因此,采用恒流源驱动可以更好地控制亮度.此外,由表1可知LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上),而由图1中的VF-IF曲线可知,VF的微小变化会引起较大的,IF变化,从而引起亮度的较大变化.所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠性、寿命和光衰.因此,超高亮LED通常采用恒流源驱动.

 
    图3是HPWA-xH00 LED的温度与光通量(φV)关系曲线,由图3可知光通量与温度成反比,85℃时的光通量是25℃时的一半,而一40℃时光输出是25℃时的1．8倍.温度的变化对LFD的波长也有一定的影响,因此,良好的散热是LED保持恒定亮度的保证.
 
    3 超高亮LED的驱动电路
    由于受到LED功率水平的限制,通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求,因此,需要专门的驱动电路来点亮LED.下面简要介绍LED驱动的主要电路. 

    3．1 阻限流电路
    如图4所示,电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路,限流电阻按式(1)计算.


式中:Vin为电路的输入电压:
      VF为IED的正向电流;
   VF为LED在正向电流为,IF时的压降;
      VD为防反二极管的压降(可选);
      y为每串LED的数目;
      x为并联LED的串数.
    由图1可得LED的线性化数学模型为

式中:Vo为单个LED的开通压降;
      Rs为单个LED的线性化等效串联电阻.
    则式(1)限流电阻的计算可写为

   当电阻选定后,电阻限流电路的IF与VF的关系为
 
    由式(4)可知电阻限流电路简单,但是,在输入电压波动时,通过LED的电流也会跟随变化,因此调节性能差.另外,由于电阻R的接人损失的功率为xRIF,因此效率低. 

    3．2线性调节器

    线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFFET作为一动态可调电阻来控制负载.线性调节器有并联型和串联型两种.

    图5(a)所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个LED,实际上负载可以是多个LED串联,下同),它与LED并联,当输入电压增大或者LED)减少时,通过分流调节器的电流将会增大,这将会增大限流电阻上的压降,以使通过LED的电流保持恒定.

    由于分流调节器需要串联一个电阻,所以效率不高,并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节.

    图5(b)所示为串联型调节器,当输入电压增大时,调节动态电阻增大,以保持LED上的电压(电流)恒定.
 
    由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压,因此,输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和,电路才能正确地工作. 

    3．3开关调节器

    上述驱动技术不但受输入电压范围的限制,而且效率低.在用于低功率的普通LED驱动时,由于电流只有几个mA,因此损耗不明显,当用作电流有几百mA甚至更高的高亮LED的驱动时,功率电路的损耗就成了比较严重的问题.开关电源是目前能量变换中效率最高的,可以达到90%以上.Buek、Boost和Buck-Boost等功率变换器都可以用于LED的驱动,只是为了满足LED的恒流驱动,采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制.

    图6(a)为采用Buck变换器的LED驱动电路,与传统的Buek变换器不同,开关管S移到电感L的后面,使得S源极接地,从而方便了S的驱动,LED与L串联,而续流二极管D与该串联电路反并联,该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容,降低了成本.但是,Buck变换器是降压变换器,不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合.
 
    图6(b)为采用Boost变换器的LED驱动电路,通过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值,实现在低输入电压下对LED的驱动.

    图6(c)为采用Buck—Boost变换器的LED驱动电路.与Buek电路相似,该电路S的源极可以直接接地,从而方便了S的驱动.Boost和 Buck-Boosl变换器虽然比Buck变换器多一个电容,但是,它们都可以提升输出电压的绝对值,因此,在输入电压低,并且需要驱动多个LED时应用较多.
4 超高亮LED的驱动控制芯片介绍
    根据高亮LED大功率恒流驱动的特点,很多公司都推出了高亮LED的专用驱动控制芯片,例如:MELexis、lnfinton(英飞凌)、Lienear Technology(凌特)、Supenex Inc、Analog.Devices(ADI)等. 

    4．1 MLxl0801芯片介绍
    MLXl0801是Melexi8公刊的一款针对汽车应用的LED驱动芯片,该芯片还可以用于继电器等线圈的驱动,以及用作电子熔断器.MLx10801芯片的原理框图如图7所示,它集成了功率MOSFET,最大驱动电流为350mA.用作LED驱动时,它具有如下特点:
    —外邵应用电路简单;
    —内部/外部温度检测保护;
    —高效率的开关电源驱动;
    —可以通过PWM输入控制亮度;
    —LED的参数可以调节并可以存储到片内NV存储器中.
    MLX10801虽然仅有8个管脚,但功能强大,表2为MLXl0801的管脚功能介绍.
 

    图8为MlJXl0801的典型应用电路,LED、L、D2、Rsense和MLXl0801内集成的MOSFET组成一个典型的Buck型LED驱动电路.图8中的LED可以根据亮度需要采用多个LEI)串联.MLXl0801通过检测Rsense上的电压来检测通过LED的峰值电流,将该电流值与设定的基准值比较,通过控制脚DRV0UT的脉宽,来控制LED电流的大小.CONTR可以用作外部的开/关控制,或者输入PWM信号来控制LED闪烁.当不需要控制时,可以将该管脚通过电阻R与脚VS相连.DSENSE用于连接外部的热敏电阻检测LED温度,保护IED.虽然MLXl0801芯片内部具有内置热敏电阻,但是,为了保证芯片与LED相距较远时仍能够正确检测到温度,MIX10801仍然设置了脚DSENSE来实现远距离温度的检测.脚CALIB用来与控制器通讯,用于接受控制器设定LED的电流、允许最高温度、采用内部温度检测还是外部温度检测、是否防抖、软启动时间等参数.

 

    4.2 大功率LED驱动芯片的比较

    表3所列为当前主要大功率IED驱动控制芯片性能比较,在应用大功率IED驱动控制芯片时,可以依据不同的应用场合进行选择:

    1)当需要较高功率时可选择功率器件没有集成在芯片内的控制器,这样就可以按照实际的功率需求单独选择功率器件;

    2)当需要较高的变换效率时,如便携式设备等,可选择开关电源类的驱动电路;

    3)当应用于可靠性高的设备中,可选择具有温度保护、故障报警等控制功能全面的芯片.

 

    5 结语

    随着技术的进步,超高亮LED的功率会进一步提高,成本也会降低,高效节能的超高亮LED必将广泛应用于照明领域.而低成本,高可靠性的驱动电路,是保证LED具有持久亮度的关键.