一般來說,，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W,、3W,、5W、8W和10W,。恒流驅動和 提高LED的光學效率是LED應用設計的兩個關鍵問題,，本文首先介紹大功率LED的應用及其恒流驅動方案的選擇指南，然后以美國國家半導體(NS)的產(chǎn)品為例,，重點討論如何巧妙應用LED恒流驅動電路的采樣電阻提高大功率LED的效率,，并給出大功率LED驅動器設計與散熱設計的注意事項。
雖然大功率LED現(xiàn)在還不能大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈,，但它們在室內(nèi)外裝飾、特種照明方面有著越來越廣泛的應用,，因此掌握大功率LED恒流驅動器的設計技術,，對于開拓大功率LED的新應用至關重要。LED按照功率和發(fā)光亮度可以劃分為大功率LED,、高亮度LED及普通LED,。一般來說，大功率LED的功 率至少在1W以上,，目前比較常見的有1W,、3W、5W,、8W和10W,。已大批量應用的有1W和3W LED，而5W,、 8W和10WLED的應用相對較少,。預計大功率LED燈會在2008年奧運會上大量應用，因此電子和照明行業(yè)都非關注LED照明新技術的發(fā)展應用,。
恒流驅動和提高LED的光學效率是LED應用設計的兩個關鍵問題,，本文首先介紹大功率LED的應用及其 恒流驅動方案的選擇指南,，然后以美國國家半導體(NS)的產(chǎn)品為例，重點討論如何巧妙應用LED恒流 驅動電路的采樣電阻提高大功率LED的效率,，并給出大功率LED驅動器設計與散熱設計的注意事項,。 驅動芯片的選擇LED驅動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分，但它關系到整個系統(tǒng)性能的可靠性,。目 前,，美國國家半導體公司的LED驅動方案主要定位在中高端LED照明和燈飾等市場。燈飾分為室內(nèi)和 室外兩種,，由于室內(nèi)LED燈所應用的電源環(huán)境有AC/DC和DC/DC轉換器兩種方式,，所以驅動芯片的選擇 也要從這兩方面考慮。
圖1：利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實現(xiàn)從恒壓驅動(左圖)到恒流驅動(右圖)的轉換
一般來說,，大功率LED的功率至少在1W以上,，目前比較常見的有1W、3W,、5W,、8W和10W。恒流驅動和 提高LED的光學效率是LED應用設計的兩個關鍵問題,，本文首先介紹大功率LED的應用及其恒流驅動方案的選擇指南,，然后以美國國家半導體(NS)的產(chǎn)品為例，重點討論如何巧妙應用LED恒流驅動電路的采樣電阻提高大功率LED的效率,，并給出大功率LED驅動器設計與散熱設計的注意事項,。
雖然大功率LED現(xiàn)在還不能大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈，但它們在室內(nèi)外裝飾,、特種照明方面有著越來越廣泛的應用,，因此掌握大功率LED恒流驅動器的設計技術，對于開拓大功率LED的新應用至關重要,。LED按照功率和發(fā)光亮度可以劃分為大功率LED,、高亮度LED及普通LED。一般來說,，大功率LED的功 率至少在1W以上,，目前比較常見的有1W、3W,、5W,、8W和10W。已大批量應用的有1W和3W LED,，而5W,、 8W和10WLED的應用相對較少。預計大功率LED燈會在2008年奧運會上大量應用,，因此電子和照明行業(yè)都非關注LED照明新技術的發(fā)展應用,。
恒流驅動和提高LED的光學效率是LED應用設計的兩個關鍵問題,，本文首先介紹大功率LED的應用及其 恒流驅動方案的選擇指南，然后以美國國家半導體(NS)的產(chǎn)品為例,，重點討論如何巧妙應用LED恒流 驅動電路的采樣電阻提高大功率LED的效率,，并給出大功率LED驅動器設計與散熱設計的注意事項。 驅動芯片的選擇LED驅動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分,，但它關系到整個系統(tǒng)性能的可靠性,。目 前，美國國家半導體公司的LED驅動方案主要定位在中高端LED照明和燈飾等市場,。燈飾分為室內(nèi)和 室外兩種,，由于室內(nèi)LED燈所應用的電源環(huán)境有AC/DC和DC/DC轉換器兩種方式，所以驅動芯片的選擇 也要從這兩方面考慮,。
圖1：利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實現(xiàn)從恒壓驅動(左圖)到恒流驅動(右圖)的轉換
1.AC/DC轉換器
AC/DC分為220V交流輸入和12V交流輸入,。12V交流電是酒店中廣泛應用的鹵素燈的電源，現(xiàn)有的LED 可以在保留現(xiàn)有交流12V的條件下進行設計,。針對替代鹵素燈的設計,，美國國家半導體LM2734的主要 優(yōu)勢是體積小、可靠性高,、輸出電流高達1A,，恰好適合鹵素燈燈口直徑小的特點。
取代鹵素燈之后,，LED燈一般做成1W或3W,。LED燈與鹵素燈相比有兩大優(yōu)勢：(1)光源比較集中，1W照 明所獲得的亮度等同于十幾瓦鹵素燈的亮度,，因此比較省電,；(2)LED燈的壽命比鹵素燈長。
LED燈的主要弱點是燈光的射角太窄,，成本相對較高。但從長遠來看,，由于LED燈的壽命較長,，所以還是具有非常大的成本優(yōu)勢。220VAC/DC轉換器(例如LM5021)主要鎖定舞臺燈和路燈市場,。
圖2：在FB反饋端和RFB之間放置一個運算放大器以降低功耗
2.DC/DC轉換器
目前,，LED手電筒占據(jù)了DC/DC轉換器的絕大部分需求量。手電筒采用的LED功率基本上是1W,，供電方 式包括鋰電池和鎳鋅電池,、堿性電池等。3W手電筒的應用一直還存在一些難點,，因為3WLED燈本身需 要散熱,，散熱裝置的體積大,，從而在一定程度上削弱了LED燈體積小的優(yōu)勢。此外,，由于3WLED燈的 電流高達700mA,，一次充電后的電池使用時間縮短。盡管如此,，對于上述應用國家半導體提供LM3475,、LM2623A和LM3485等方案。
礦燈也是LED燈的主要應用領域之一,，它屬于特種照明行業(yè),，需要專業(yè)的認證標準，中國對LED在礦燈領域的應用一直都很重視,。目前,，LED設計行業(yè)存在對特種行業(yè)的需求認識不足的問題，設計中常采用一些不切實際的,、新奇的設計方案,。例如，將LED燈和電池一起嵌入頭盔,，卻沒有考慮到礦燈特殊使用環(huán)境的各種需求,，這可能是造成LED在礦燈市場的應用一直沒有打開局面的重要原因。
對于礦燈LED應用,，美國國家半導體提供了豐富的DC/DC穩(wěn)壓器產(chǎn)品,，包括LM3485、LM3478和LM5010 ,。已經(jīng)用戶采用一顆1W的LED燈,，周圍再放6顆普通的高亮度LED燈，構成一種具有特殊閃爍功能的礦 燈,。
總而言之,，LED燈在燈飾和特種照明行業(yè)有著廣泛的發(fā)展前景，國家半導體為此提供完整的新型LED驅動解決方案,。
圖3：基于LM2734的恒流驅動電路
高效的恒流驅動電路
恒壓供電的基本電路(圖1左)采用反饋電阻RFB1和RFB2,，當負載電流發(fā)生變化時，VFB也隨之變化,，DC/DC穩(wěn)壓器通過感知VFB的變化,，使輸出電壓維持在一個固定的電平：
在圖1右邊電路中，DC/DC穩(wěn)壓器的FB是高阻輸入端,，流經(jīng)LED的電流IF為：
為保持IF恒定,，DC/DC穩(wěn)壓器感知VFB，然后調整LED正端電壓，使流經(jīng)LED的電流保持恒定,。這就是 利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實現(xiàn)恒壓到恒流轉換的原理,。
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,，采樣電阻的設計對提高LED的功效至關重要,， 它應該選取盡可能小的數(shù)值。
圖4：從采樣電阻直接獲取反饋電壓的設計
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)。
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：
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1WLED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,。
LM2734是1A降壓型穩(wěn)壓器,。基于LM2734的恒流驅動電路(圖3)利用LM321運算放大器獲取采樣電阻Rset上的電壓,，結合其它電阻和電容就可以構成一個完整、高效率的大功率LED恒流驅動電路,。在實際使用中,，有些LED恒流驅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決定了恒流驅動電路的設計,，而且對整個系統(tǒng)的效率有重要影響,，因此仔細設計Rset對節(jié)省能源至關重要。圖3和圖4的詳細設計文件請向國家半導體當?shù)厥跈喾咒N商索取,。
一般來說,，如果要求LED驅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的恒流驅動，而基于LM5021的恒流驅動設計方 案則針對220VAC/DC轉換器的應用,。
恒流驅動與散熱的考慮
就電子系統(tǒng)設計而言,，工程師在設計LED恒流驅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)。
有些設計工程師為提高發(fā)光效率而采取加大驅動電流的辦法,，例如,，對于同一顆1WLED，加大驅動電 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,，這是設計恒流驅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恒流驅動方案,，還與整個系統(tǒng)的散熱設計密切相關。為縮小體積,，某些LED恒流驅動系統(tǒng)將LED驅動電路與散熱部分貼近設計,，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驅動電路與散熱部分貼近設計；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)療設備和儀器儀表及其它特種照明環(huán)境,。但這些應用對LED驅動系統(tǒng)設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驅動器設計方案(見表2)，可以為用戶提供全面的LED驅動器解決方案,。
LED照明系統(tǒng)需要借助于恒流供電,，目前主流的恒流驅動設計方案是利用線性或開關型DC/DC穩(wěn)壓器結合特定的反饋電路為LED提供恒流供電，根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設計的差異,，又可以分為電感型LED驅動器和開關電容型LED驅動器,。電感型升壓驅動器方案其優(yōu)點是驅動電流較高，LED的端電壓較低,、功耗較低,、效率保持不變，特別適用于驅動多只LED的應用,。在大功率LED驅動器設計中,，主要采用開關電容型LED驅動方案，其優(yōu)點是LED兩端的電壓較高,、流過的電流較大,，從而獲得較高的功效及光學效率,。先進的開關電容技術還能夠提高效率，因而在大功率LED驅動中應用廣泛,。
表2：美國國家半導體的LED驅動器解決方案一覽表
本文小結
大功率LED照明技術有著廣闊的發(fā)展前景，因而受到普遍的關注和投資者的追捧?，F(xiàn)階段,，由于LED芯片設計和制造技術及材料等諸多因素的限制，它暫時還不能完全取代傳統(tǒng)的白熾燈,，因而人們更為關注大功率LED在特種照明中的應用,。
本文首先介紹了特種照明的應用環(huán)境，然后,，詳細闡述了利用DC/DC穩(wěn)壓器實現(xiàn)恒壓轉恒流設計的基 本原理和實際案例,，并說明了大功率LED驅動器設計與散熱部分設計應該注意的事項，最后指出了大功率LED新應用對驅動器設計提出的新要求,，給出了國家半導體公司的完整解決方案的指南,，它有助于從事LED照明行業(yè)的電子設計工程師全面掌握最新的LED驅動器系統(tǒng)設計技術。