超高亮LED的驱动

摘要：在简要介绍超高亮LED的特点以及特性的基础上，详细介绍了LED的电阻限流、线性调节器和开关调节器等驱动方式，在此基础上介绍了超高亮LED的驱动芯片MLX10801的功能和应用．并给出了当前主要超高亮LED驱动芯片的主要特点。 关键词：发光二极管：超高亮：恒流驱动 0 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。 l 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。 近年来高亮LED已经在汽车的近光灯中得到了应用，例如德国奥迪公司的奥迪A86.O，意大利Fioravanti公司在2003年日内瓦车展上推出的概念车Yak，美国福特公司不久前在底特律车展上推出的Model U都开始将高亮LED用于前照灯的设计中。 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，目前单体黄色LED大约O．6元／个，绿色与蓝色单体LED在1．8元／个左右，白色LED的价格达到了2.2～5.5元／个左右；如果将几十个单体LED组合，其成本将大大增加,如把一个LED安装在草坪灯里，其单价就相当于一般草坪灯的几倍，LED要成为未来照明的主流光源，就一定要朝着大流明方向发展，成本才有可能降低，市场才有可能突破。 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。