大功率LED恒流驅(qū)動方案選擇及設(shè)計實例

一般來說，DC/DC穩(wěn)壓器對VFB的變化有一個感知的范圍，一旦LED選定，其工作電流IF的大小也就確定了，所選的電阻要保證VFB落在DC/DC穩(wěn)壓器容許的范圍內(nèi)。

以VFB等于1.25V為例，假設(shè)IF分別為15mA、350mA和700mA，采樣電阻的功耗將分別小于20mW、400mW和800mW。對于1W的LED來說，采樣電阻的功耗分別占到總電源消耗的2%、40%和80%。因此，采樣電阻的設(shè)計對提高LED的功效至關(guān)重要，它應該選取盡可能小的數(shù)值。

由于直接將RFB連接FB端會造成RFB的功耗過大，所以在FB端和RFB之間放置一個運算放大器，以放大RFB采集到的電壓VTAP(圖2)。IF=VTAP/RFB=(VFB/RFB)*(1+RF/RI) (3)

通常，1W大功率LED的典型工作電流為350mA，如果選擇RFB等于1歐姆，則RFB的功耗為：

PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W (4)

考慮運算放大器本身的功耗，RFB及其附屬電路的功耗大約為1W LED功率的12%。這樣就能在確保LED獲得恒流供電的同時，將RFB的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓盡可能大，流經(jīng)的電流也盡可能大。國家半導體按照這個原理工作的穩(wěn)壓器有LM2736和LM2734。

圖4：從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設(shè)計LM2734是1A降壓型穩(wěn)壓器。基于LM2734的恒流驅(qū)動電路(圖3)利用LM321運算放大器獲取采樣電阻Rset上的電壓，結(jié)合其它電阻和電容就可以構(gòu)成一個完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動電路。在實際使用中，有些LED恒流驅(qū)動電路可以直接從采樣電阻獲取反饋電壓，如圖4所示。

圖3中采樣電阻Rset決定了恒流驅(qū)動電路的設(shè)計，而且對整個系統(tǒng)的效率有重要影響，因此仔細設(shè)計Rset對節(jié)省能源至關(guān)重要。圖3和圖4的詳細設(shè)計文件請向國家半導體當?shù)厥跈?quán)分銷商索取。

一般來說，如果要求LED驅(qū)動電流的變化不超過標稱值的5%至10%，那么采用精度為2%的電阻就足夠了。LED驅(qū)動電流的典型波動范圍是正負10%。由于采樣電阻消耗的功率較大，應避免使用功率較小的貼片電阻。此外，LM3478方案適用于多個大功率LED的恒流驅(qū)動，而基于LM5021的恒流驅(qū)動設(shè)計方案則針對220V AC/DC轉(zhuǎn)換器的應用。

恒流驅(qū)動與散熱的考慮

就電子電路系統(tǒng)設(shè)計而言，工程師在設(shè)計LED恒流驅(qū)動電路時首先要了解LED的恒流參數(shù)。目前LED芯片的制造商很多，國內(nèi)外LED的差異主要在于相同電參數(shù)的情況下，流明數(shù)可能不同，因此設(shè)計工程師要清楚地認識到LED功率并不是決定發(fā)光效率的唯一參數(shù)。例如，同樣是1W的LED，有的LED可以達到40流明的亮度，而有的只能達到20流明的亮度，這是因為LED光學效率還取決于材料和制作工藝等諸多環(huán)節(jié)。

有些設(shè)計工程師為提高發(fā)光效率而采取加大驅(qū)動電流的辦法，例如，對于同一顆1W LED，加大驅(qū)動電流后，亮度可以從20流明提高到40流明，但是LED的工作溫度也相應升高了。一旦溫度超過LED的限溫點，就會影響LED的壽命和可靠性，這是設(shè)計恒流驅(qū)動過程中需要注意的重要問題。

此外，LED照明系統(tǒng)的光學效率不僅僅取決于LED恒流驅(qū)動方案，還與整個系統(tǒng)的散熱設(shè)計密切相關(guān)。為縮小體積，某些LED恒流驅(qū)動系統(tǒng)將LED驅(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)計，這樣容易影響可靠性。

一般來說，LED照明系統(tǒng)的熱源基本就是LED燈本身的熱源，熱源太集中會產(chǎn)生熱損耗，因此LED驅(qū)動電路不能與散熱系統(tǒng)緊貼在一起。建議采取下列散熱措施：LED燈采用鋁基板散熱;功率器件均勻排布;盡可能避免將LED驅(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)計;抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗;提高LED芯片的散熱順暢性以降低熱阻抗。

表1：大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢新應用對驅(qū)動器的要求

大功率LED被稱為“綠色光源”，它將向大LED電流(300mA 至1.4A)、高效率(60至120 流明/瓦)、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。

由于大功率LED在壽命上具有很大優(yōu)勢(表1)，所以發(fā)展前景非常廣闊，其中最被看好的照明應用是汽車、醫(yī)療設(shè)備和儀器儀表及其它特種照明環(huán)境。但這些應用對LED驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計也提出了新的要求，包括：輸入電壓范圍一般要求為6V到24V;具有沖擊負載保護、反相和過壓保護;待機功耗非常低;低帶隙基準以減少電流檢測損耗以及具有PWM調(diào)整亮度的功能等。

針對這些需求，美國國家半導體公司提供了全系列LED驅(qū)動器設(shè)計方案(見表2)，可以為用戶提供全面的LED驅(qū)動器解決方案。

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