高亮度大功率LED驱动设计集

　　建立一个基于LED的系统需要完成以下任工作：1. 确定LED使用数量以及LED之间的连接方案;2. 选择线形模式或开关模式来驱动LED;3. 选择供电电源，即直流电压、交流电源或电池;4. 光学分系统例如透镜、表层滤镜等。LED的数量取决于对亮度的要求与LED的驱动电流。本文介绍了大功率LED和高亮度LED的多种驱动方法。

　　LED的连接方案

　　当LED的数量大于一时，就必须要确定一种LED连接方案。在选择连接方案时并无硬性规则。有时只是偏爱问题。有时LED的连接方案可依据驱动器的选择来决定。有时可用供电电源和所需效能也会影响连接方案的选择。

　　LED的连接一般分为三种主要结构，即串联、并联(共阳极、共阴极、共阳极与共阴极)，以及串、并混联(2个LED串联、N个LED串联)

　　1. 串联

　　图1所示为LED的串联电路。串联电路中LED电流处处相等。串联的优点是，如果其中之一的LED开路，所有的LED都不会发光。串联两端的总VF变大，但对电流的需求变小。LED驱动电路输出的LED电压必须大于串联中总的VF电压。通常，额定LED输出电压越接近串联中总的VF电压，LED的效能越大。

　　2. 共阳极并联或共阴极并联

　　当需要独立调整每一个LED的电流时，会使用共阳极或共阴极并联。并联的优点是，当一个LED开路时，不会对其他LED造成影响。并联的缺点是，电路需要较高的额定电流。

　　3. 共阳极并联与共阴极并联

　　LED导通电压之间的差异会导致电流参差。通过使用最小数量具有匹配特性(电特性、热特性和使用寿命)的LED可以避免出现这一情况，把若干具有匹配特性的LED放在一起就相当于一个具有较高额定电流的较大LED。由于具有不同的老化特性和热特性，这些相匹配的LED可能会逐渐分化。

　　4. 串并混联

　　图3是串并联混合的例子。这种连接方案通常是总VF需求与总电流需求的折衷方案，因此它更适合于有效LED驱动。

　　LED驱动电路

　　连接方案会影响所需驱动通道的数目。大多数LED驱动器一般只有一个通道。然而，部分多通道LED驱动器也是可用的。在共阳极或共阴极的结构中，每个通道可控制单个串联支路上的LED或者并联LED中的单个支路。驱动串联LED需满足以下条件：

　　1. 输出LED驱动电压必须大于串联LED总的VF电压;

　　2. LED驱动恒定电流输出必须大于等于LED要求的电流。如果电流较大，可使用PWM减小或改变电路电流，例如传感电阻器。通常LED驱动器被分为线性LED驱动器和开关模式LED驱动器。

　　线性LED驱动器效率较低并且通常占用较大空间。开关模式LED驱动器效率更高并且更小巧。但是，它们都具有电噪声与辐射性噪声问题并且设计复杂。

　　当输入供电电压低于LED总的VF时，就必须使用开关模式LED驱动器。究竟选择线性LED驱动器还是开关模式LED驱动器，可根据它们的有效供电电压和工作效率直接判定。

　　将稳压器变为LED驱动器

　　一个标准的稳压器拥有下列插脚，VIN、GND、VOUT和FB。FB引脚通过检测一个输入电压来控制稳压器输出电压。对于恒定电流LED驱动器，必须要有电流检测。通过在LED的电流通路中安插一个电阻，将LED电流转变为FB引脚上的一个可测电压。通常将电阻器安插到LED阴极一侧来测定低端电压，否则只能将电阻器安插到LED阳极一侧来测定高端电压。此时需要一个带有高共模抑制比的差动放大器来测定电阻器两端的电压。

　　低压侧电阻值为VFB/ILED，而高压侧的电阻值为VFB/(ILED×AV)。

　　其中，VFB是FB引脚的校准反馈电压;ILED是LED需要的电流;AV是差动放大器的增益。

　　对于线性LED驱动器而言，被驱动的LED数目为：

　　对于开关式LED驱动器而言，被驱动的LED数目为：

　　其中，VIN是输入供电电压;VDO是输入和输出的电压差异;VR是电阻器两端的检测电压;VOR是串联的所有LED的额定输出电压;VF是标准的单个LED导通电压。

线性LED驱动器的例子

　　1. 单电阻限流

　　用一个电阻来限制LED的直流供电电流。单电阻限流的优点是结构简单，但由于LED的导通电压会产生漂移，所以LED电流并不稳定。

　　该电阻为：

　　其中，VF是几个LED串的电压;IF为LED的电流;VIN为输入电压。

　　2. LM317或LM317HV

　　如图6所示，将LM317HV稳压器用作LED驱动器。

　　LM317HV将ADJ与OUT之间的电压稳定在1.23V，此时，LED的电流为ILED=1.23/R。

　　相对单电阻驱动器此电路的优点是虽然LED的导通电压会产生漂移LED电流仍将保持恒定。

　　3. LM2941

　　另一个驱动器LM2941类似于LM317。LM2941稳压器的最大输入电压为26V。LM2941将ADJ与GND端点之间的电压稳定在1.275V。图7所示，LED驱动器LM2941提供354mA的驱动电流。

　　4. LT3021

　　另一个线性稳压器是LT3021，它的最高输入电压为10V，最大电流额定值为500mA。LT3021将ADJ与GND端点之间的电压稳定在0.2V。LED电流即为R/0.2，开断电压为160mV。如果LED的VF为3.6V，串联LED的数量为2。

　　5. TLE4242G

　　VREF将ADJ与GND引脚之间的电压稳定在177mV，最大输入电压额定值为42V，开断电压为0.7V。此电路中LED电流为VREF/R，在图9的电路中，R=5.1ohm，LED电流为347mA。

　　6. AS3691和AS3692

　　AS3691的额定电压为15V，最大LED电流为400mA。AS3692类似于AS3691。它们之间的差异是AS3692的额定电压达到50V，但最大LED电流仅为200mA。有关AS3691与AS3692最佳性能与应用说明的最新信息可联系Austriamicrosystem公司。

　　7. MAX16800 LED驱动器

　　此LED驱动器的额定电压为40V，驱动器使CS+与CS-之间的电压保持稳定。电流由外电路电阻设定(RS=VSENSE/ILED)。在ADJD-J823与HDJD-J822的LED颜色控制应用中，由ADJD-J823/HDJD-J822输出的PWM信号通连至MAX16800的EN输入端。

开关模式LED驱动器

　　开关模式LED驱动器与开关稳压器的拓扑结构有关。开关稳压器能在不同的电流负荷下保持一个恒定电压。无论LED需要怎样的导通电压，开关模式LED驱动器都能为LED输送恒定的电流，并且提供过电压保护或保证不超越额定功率限度。

　　下面是一些普通的开关模式LED驱动器拓扑结构范例：

　　1. BUCK降压稳压器，输出电压低于输入电压;

　　2. BOOST升压稳压器，输出电压高于输入电压;

　　3. BUCK-BOOST降压/升压型稳压器，输出电压反转;

　　4. SEPIC类似于降压/升压型稳压器，但输出电压不反转;

　　5. FLYBACK降压/升压型稳压器，其中的电感由变压器代替。

　　设计者能从厂家处获取IC数据表与应用说明的相关信息，并且在工作上与LED驱动器厂商紧密配合。当开启开关模式LED驱动器之前应连接好LED。

　　开关模式LED电路开路会导致输出电压上升到最高限制并且可能超过LED驱动器最高电压额定值的限制。

　　开关模式LED驱动器的例子

　　1. HV9911降压型拓扑结构

　　VIN与GND之间提供21~27V的输入电压。Boost拓扑结构电路提供80V最高输出电压。可驱动InGaN氮化铟镓LED的数目为~20。如果不使用PWM，需要连接VDD来启动LED驱动器。

　　

 

　　LED电流为：

　　

 

　　2. HV9911升压型拓扑结构

　　此降压型拓扑结构电路VIN与GND之间可承受130~200V直流电压输入，并提供20到100VLED输出电压。高端电流检测将LED电流限制在350mA。如果不使用PWM，需要连接VDD来启动LED驱动器。

　　

 

　　此时，LED电流为：

　　

 

　　3. HV9910

　　此降压型拓扑结构电路并没有与线电压隔离。LED必须在交流电源开启之前就与驱动器相通连。表1显示了此电路的交流电压的合理输入范围。元件L1与R4的参数值由LED工作电流决定。假定LED导通电压为3.6V，最多可驱动大约11个LED。

　　

 

　　图13中列出了1、2排的元件参数。控制PWM信号必须与主线隔离。如果不使用PWM，需要连接VDD来启动LED驱动器。无论需要试用任何测量仪表，都必须使用隔离变压器进行隔离。

　　

 

　　4. ST L6902

　　这是一个降压型LED驱动器。表2显示了对应不同LED电流所需要的元件参数。附注：图15中元器件使用第一排所示元件参数能提供350mA的LED电流。

　　

 

　　Vdim基座提供一个输入电压可用来进行线性调节或反向逻辑PWM调节。在0V时，LED电流最大。当电压从0V增大到3.3V时，LED电流也会从最大值线性减小到0V。电阻R1与R3提供23.3V的过电压保护，以防LED输出位置发生断路。假定InGaN LED VF=3.6V，最多可连接6个InGaN LED。