1,、引言

　　“低碳”生活是目前倡導(dǎo)的一種觀念,，對于照明來說，LED的應(yīng)用就是具體體現(xiàn)。LED具有環(huán)保,、節(jié)能,、效率高,、壽命長,、安全可靠的優(yōu)勢，為此,，必須了解LED的使用條件,、工作原理、驅(qū)動方法和典型應(yīng)用,。

　　2,、LED工作原理

　　要設(shè)計(jì)驅(qū)動電路，首先要掌握其工作原理,。LED的亮度主要與VF,、IF有關(guān)。LED的伏安特性見圖1,，其中VF是LED的正向壓降,、IF是正向電流。當(dāng)正向電壓超過閾值(即導(dǎo)通電壓,，如圖約1.7V)時(shí),，可近似認(rèn)為IF與VF成正比。由圖可知,，LED的最高IF可達(dá)1A,，而VF通常為2 V～4V。

圖1：LED的VF與IF 的關(guān)系

　　LED的正向壓降變化范圍比較大(可達(dá)1V以上),，而由上圖中的VF-IF曲線可知,，VF的微小變化會引起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變化,。所以,，通常LED的發(fā)光特性都用電流的函數(shù)來描述，而不是電壓的函數(shù),。但一般的整流電路的輸出電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動也會變化,，由此可知，采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性,，并且影響LED的特性,。因此，LED驅(qū)動通常采用恒流源驅(qū)動,。

　　3,、LED驅(qū)動技術(shù)

　　由LED的工作原理知道，要使LED保持最佳的亮度狀態(tài)，需要恒流源來驅(qū)動,。驅(qū)動的任務(wù)既要保持恒流特性,，還要保持較低的功耗。為了滿足以上要求,，通常采用的控制電流的方法有：通過調(diào)節(jié)限流電阻的大小實(shí)現(xiàn)控制電流,；通過調(diào)節(jié)限流電阻上的基準(zhǔn)電壓來調(diào)節(jié)電流；PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)電流控制,。LED的驅(qū)動技術(shù)與開關(guān)電源中應(yīng)用的技術(shù)十分類似,，LED驅(qū)動電路是一種電源轉(zhuǎn)換電路，但輸出的是恒定電流而非恒定電壓,。無論在任何情況下,，都要輸出恒定而平均的電流，紋波電流要控制在一定的范圍內(nèi),。

　　1,、引言

　　“低碳”生活是目前倡導(dǎo)的一種觀念，對于照明來說,，LED的應(yīng)用就是具體體現(xiàn),。LED具有環(huán)保、節(jié)能,、效率高,、壽命長、安全可靠的優(yōu)勢,，為此,，必須了解LED的使用條件、工作原理,、驅(qū)動方法和典型應(yīng)用,。

　　2、LED工作原理

　　要設(shè)計(jì)驅(qū)動電路,，首先要掌握其工作原理,。LED的亮度主要與VF、IF有關(guān),。LED的伏安特性見圖1,，其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電流,。當(dāng)正向電壓超過閾值(即導(dǎo)通電壓,，如圖約1.7V)時(shí)，可近似認(rèn)為IF與VF成正比,。由圖可知,，LED的最高IF可達(dá)1A,，而VF通常為2 V～4V。

圖1：LED的VF與IF 的關(guān)系

　　LED的正向壓降變化范圍比較大(可達(dá)1V以上),，而由上圖中的VF-IF曲線可知,，VF的微小變化會引起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變化,。所以,，通常LED的發(fā)光特性都用電流的函數(shù)來描述，而不是電壓的函數(shù),。但一般的整流電路的輸出電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動也會變化,，由此可知，采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性,，并且影響LED的特性。因此,，LED驅(qū)動通常采用恒流源驅(qū)動,。

　　3、LED驅(qū)動技術(shù)

　　由LED的工作原理知道,，要使LED保持最佳的亮度狀態(tài),，需要恒流源來驅(qū)動。驅(qū)動的任務(wù)既要保持恒流特性,，還要保持較低的功耗,。為了滿足以上要求，通常采用的控制電流的方法有：通過調(diào)節(jié)限流電阻的大小實(shí)現(xiàn)控制電流,；通過調(diào)節(jié)限流電阻上的基準(zhǔn)電壓來調(diào)節(jié)電流,；PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)電流控制。LED的驅(qū)動技術(shù)與開關(guān)電源中應(yīng)用的技術(shù)十分類似,，LED驅(qū)動電路是一種電源轉(zhuǎn)換電路,，但輸出的是恒定電流而非恒定電壓。無論在任何情況下,，都要輸出恒定而平均的電流,，紋波電流要控制在一定的范圍內(nèi)。

　　 ⑴　限流法

　　如圖2所示,，這是傳統(tǒng)的電路,。電網(wǎng)電壓通過降壓、整流,、濾波后,，通過電阻限流使LED穩(wěn)定工作。這種電路的致命缺點(diǎn)是：電阻R上的功耗直接影響了系統(tǒng)的效率,，再加上變壓器損耗,，系統(tǒng)效率約50%。當(dāng)電源電壓在±10%的范圍內(nèi)變動時(shí)，流過LED的電流變化將≥25%,，LED上的功率變化超過30%,。電阻限流的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、成本低,、無電磁干擾,；但是電流會隨著VF的變化而改變亮度，效率很低,，散熱難,。

圖2：限流法

　　二極管改為空心通直線，電容為平行直線,，刪除‘+’號,，符號改為斜體，腳注改為小寫正體

　　 ⑵　穩(wěn)壓法

　　圖3是在圖2的基礎(chǔ)上加了一個(gè)集成穩(wěn)壓元件MC7809,，使輸出端的電壓基本穩(wěn)定在9V,，限流電阻R可用得很小，不會造成LED的電壓不穩(wěn),。但是,，此電路效率還是低。因?yàn)镸C7809和R1上的壓降仍占很大比例,，其效率約為40%左右,。這就稱不上是節(jié)能照明產(chǎn)品。為了達(dá)到既能使LED穩(wěn)定工作,，又能保持高的效率,，應(yīng)采用低功耗的限流元件和電路來使系統(tǒng)效率提高。線形穩(wěn)壓法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,、外部元件少,、效率中等、成本較低,。

圖3：穩(wěn)壓法

　　二極管改為空心通直線,，電容為平行直線，刪除‘+’號,，符號改為斜體,，腳注改為小寫正體

　　 ⑶　PWM法

　　 PWM脈寬調(diào)制，即用脈寬調(diào)制的方法,，改變LED驅(qū)動電流的脈沖占空比來控制光的亮度,。是利用簡單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動器的調(diào)光技術(shù),。使用者只需提供寬,、窄不同的數(shù)字脈沖,，即可實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度,。此驅(qū)動電路的特點(diǎn)是,，通過一個(gè)電感器將能量傳遞給負(fù)載，通常是用一個(gè)PWM控制信號,，對MOSFET晶體管觸發(fā)導(dǎo)通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn),。通過改變PWM的占空比和電感器的充放電時(shí)間，對輸入電壓和輸出電壓的比率進(jìn)行調(diào)節(jié),。這類電路常見的結(jié)構(gòu)包括降壓,、升壓、降壓-升壓等類型,。優(yōu)點(diǎn)是高效,、穩(wěn)定，但容易產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲,，成本高,，設(shè)計(jì)復(fù)雜。

圖4：PWM法

 　　上圖的符號改為斜體

　　 圖4的PWM信號,，經(jīng)過三極管VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅(qū)動,，采用簡單的NPN三極管驅(qū)動放大電路,，以改善MOS管的導(dǎo)通過程，減少驅(qū)動電源的功率,。當(dāng)驅(qū)動電路直接驅(qū)動MOS管時(shí),，會引起被驅(qū)動MOS管的快速開通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)動MOS管漏源極間電壓的振蕩,。一則引起射頻干擾,，二則有可能造成MOS管遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題,，需在被驅(qū)動MOS管的柵極與驅(qū)動電路的輸出之間串聯(lián)一只無感電阻,。當(dāng)PWM波輸出高電平時(shí)，三極管VQ1導(dǎo)通,，從而使MOS管的柵極電壓低于源極電壓,，MOS管的源極和漏極導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮,。當(dāng)PWM波輸出低電平時(shí),，VQ1截止，LED熄滅,。

　　4,、典型照明LED驅(qū)動方案

　　目前全球LED市場主要有日本的日亞化學(xué)（Nichia),、豐田合成(ToyodaGosei)、美國Cree公司,、歐洲飛利浦(PhilipsLumileds)和歐司朗(Osram)5家掌控,。照明LED驅(qū)動芯片制造商，國內(nèi)利用較多的有華潤矽威科技和臺灣點(diǎn)晶科技的產(chǎn)品,，國外利用較多的有安森美和美國國家半導(dǎo)體等芯片,。

　　（1）華潤矽威的LED驅(qū)動芯片

　　華潤矽威科技最新推出的PT4207采用SOP8封裝,，是一款高壓降壓式LED驅(qū)動控制芯片,，能適應(yīng)從18V到450V的輸入電壓范圍，可支持上百個(gè)LED的串并聯(lián)驅(qū)動應(yīng)用,，占空比最高可達(dá)100%,，以保證系統(tǒng)的高效能。內(nèi)置輸入電壓補(bǔ)償功能,，極大改善了PT4207在不同輸入電壓下的LED電流穩(wěn)定性,。PT4207內(nèi)置一個(gè)350mA開關(guān)，并配備外部MOS開關(guān)驅(qū)動端口,。對于350mA以下的應(yīng)用無需外部MOS開關(guān),，對于高于350mA的應(yīng)用可采用外部MOS管擴(kuò)展電流。LED電流可通過外部電阻設(shè)定,。通過多功能調(diào)光DIM管腳,，可使用電阻或DC電壓線性調(diào)節(jié)LED電流，也可使用數(shù)字脈沖信號進(jìn)行PWM調(diào)光,。PT4207具有多種保護(hù)功能,，包括負(fù)載短路保護(hù)、開路保護(hù),、過溫度保護(hù)等,。適合AC/DC LED日光燈、RGB背光LED驅(qū)動,、LED環(huán)境裝飾燈等各種應(yīng)用,。PT4207的典型應(yīng)用線路如圖5所示。

圖5：LED日光燈驅(qū)動芯片PT4207典型應(yīng)用線路

　　二極管改為空心通直線,，電阻為長方形,，符號改為斜體，腳注改為小寫正體

　?。?）安森美LED驅(qū)動芯片

　　安森美半導(dǎo)體NCL30000是一款極佳的產(chǎn)品,，成本低，性能佳,。這器件集成了PFC,、DC-DC轉(zhuǎn)換和LED驅(qū)動器,，簡單易用，其小型SOIC封裝也有利于小巧設(shè)計(jì)和低成本,。NCL30000采用緊湊型的8引腳表面貼裝封裝,，使用臨界導(dǎo)電模式反激架構(gòu)，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，在寬AC輸入電壓范圍內(nèi)提供大于0.95的高功率因數(shù),。典型應(yīng)用包括LED驅(qū)動器電源、LED嵌燈,、三端雙向可控硅開關(guān)組件(TRIAC)可調(diào)光LED燈及功率因數(shù)校正恒壓電源,。其典型應(yīng)用原理圖如圖6所示。

圖6：NCL30000 典型應(yīng)用原理圖

　　二極管改為空心通直線,，電阻為長方形,，符號改為斜體，腳注改為小寫正體

　?。?）美國國家半導(dǎo)體LED驅(qū)動芯片

　　恒流降壓型,，Vin范圍：LM3405 3V -15V/LM3405A 3V-22V；基準(zhǔn)電流源：200mV,；工作頻率：0.550/1.6MHZ,；PWM調(diào)光。典型應(yīng)用為：家用照明,、路燈,、廣告裝飾等。LM3405典型應(yīng)用原理圖見圖7,。

圖7：LM3405典型應(yīng)用原理圖

　　二極管改為空心通直線，電阻為長方形,，符號改為斜體,，腳注改為小寫正體

　　 （4）臺灣點(diǎn)晶科技LED驅(qū)動芯片

　　 DM413是全彩驅(qū)動芯片，內(nèi)置灰度產(chǎn)生器,，采用PWM脈寬調(diào)制方式,。專為LED 照明、裝飾,、大屏顯示等應(yīng)用而設(shè)計(jì),。最大恒流輸出：100mA；最大輸出承受電壓: 17V,；最大串行時(shí)鐘頻率:20MHz,；芯片工作電壓：3.3V--5.5V。DM413具有若干信號輸入輸出引腳及多個(gè)功能設(shè)定引腳,。信號通過輸入接口給DM413相應(yīng)的輸入引腳,。3個(gè)輸出引腳用于連接LED,，可分配給R，G,，B三個(gè)顏色,，同一個(gè)輸出引腳接相同顏色的LED，根據(jù)配色需要,，每個(gè)輸出引腳可接一個(gè)或多個(gè)LED,。控制器輸出接口具有三條信號線：一條串行數(shù)據(jù)輸出線,，一條時(shí)鐘信號輸出線及一條鎖存信號線,。這三條線分別接到驅(qū)動芯片相應(yīng)的3個(gè)引腳上。和一般的串行移位機(jī)制相同,，在時(shí)鐘信號的控制下,，串行數(shù)據(jù)在驅(qū)動芯片內(nèi)部移位寄存。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收完畢,，控制器向驅(qū)動芯片發(fā)送鎖存信號,，使LED驅(qū)動芯片鎖存已存儲的數(shù)據(jù)，同時(shí)會根據(jù)所存儲的數(shù)據(jù)驅(qū)動LED發(fā)光,。該方式控制LED以人眼分辨不出的高頻率快速亮滅,，根據(jù)芯片所存儲的數(shù)據(jù)設(shè)定亮和滅所占的比例，即實(shí)現(xiàn)灰度級別的控制,。DM413的典型應(yīng)用原理圖見圖8,。

圖8：DM413典型應(yīng)用原理圖

　　二極管改為空心通直線，電阻為長方形,，符號改為斜體,，腳注改為小寫正體

　　5、結(jié)語

　　綜上所述可以看出,，LED在工作時(shí)需要有穩(wěn)流,、穩(wěn)壓的元件，但是此類元件應(yīng)具備自身承擔(dān)的分壓高但功耗要小的特性,。所以,，應(yīng)盡可能采用電容、電感或有源開關(guān)電路等高效電路,，這樣才能保證LED系統(tǒng)的高效率,。采用串聯(lián)式集成恒功率輸出電路，可以使LED的光輸出在很寬的電源范圍內(nèi)保持恒定,，但一般的IC電路會因此而使效率有所下降,。采用有源開關(guān)電路，可以保證在較高的轉(zhuǎn)換效率下,，實(shí)現(xiàn)電源電壓大幅度變化時(shí)恒功率輸出,。LED現(xiàn)今絕大多數(shù)芯片都可以從0～100%的調(diào)制光度,，并且可保證在整個(gè)調(diào)光過程保持較高光效，并且不損害LED的壽命,。目前,，針對光度控制方面，主要的兩種解決方案為線性調(diào)節(jié)LED的電流(模擬調(diào)光)或在肉眼無法察覺的高頻下,，讓驅(qū)動電流從0到目標(biāo)電流值之間來回切換(數(shù)字調(diào)光),。利用脈沖寬度調(diào)變(PWM)來設(shè)定循環(huán)和工作周期可能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的最簡單的方法。

　　作者：姚曉平  高級工程師,，研究方向是“應(yīng)用電子技術(shù)”