2022年大功率LED恒流驱动电路的设计方案与研究.docx

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1、精品学习资源虽然大功率 LED现在仍不能大规模取代传统的照明灯具，但它们在室内外装饰、特种照明方面有着越来越广泛的应用，因此把握大功率LED恒流驱动器的设计技术，对于开拓大功率LED的新应用至关重要； LED依据功率和发光亮度可以划分为大功率LED、高亮度 LED及一般 LED；一般来说，大功率LED的功率至少在 1W以上，目前比较常见的有1W、3W、 5W、8W和 10W；已大批量应用的有1W和 3W LED，而 5W、 8W和 10W LED的应用相对较少；估计大功率 LED灯会在 2021 年上海世博会上大量应用，因此电子和照明行业都特别关注LED照明新技术的进展应用；恒流驱动和提高 L

2、ED的光学效率是 LED 应用设计的两个关键问题，本文第一介绍大功率LED 的应用及其恒流驱动方案的挑选指南，然后以美国国家半导体NS的产品为例，重点争论如 何奇妙应用 LED恒流驱动电路的采样电阻提高大功率LED的效率，并给出大功率LED驱动器设计与散热设计的留意事项；驱动芯片的挑选LED驱动只占 LED照明系统成本的很小部分，但它关系到整个系统性能的牢靠性；目前，美国国家半导体公司的LED驱动方案主要定位在中高端LED照明和灯饰等市场；灯饰分为室内和室外两种，由于室内LED灯所应用的电源环境有AC/DC和 DC/DC转换器两种方式，所以驱动芯片的挑选也要从这两方面考虑；1. AC/DC 转

3、换器AC/DC分为 220V 沟通输入和 12V 沟通输入； 12V 沟通电是酒店中广泛应用的卤素灯的电源， 现有的 LED可以在保留现有沟通12V 的条件下进行设计；针对替代卤素灯的设计，美国国家半导体 LM2734 的主要优势是体积小、牢靠性高、输出电流高达1A，恰好适合卤素灯灯口直欢迎下载精品学习资源径小的特点；取代卤素灯之后， LED灯一般做成 1W或 3W；LED灯与卤素灯相比有两大优势： 1 光源比较集中， 1W照明所获得的亮度等同于十几瓦卤素灯的亮度，因此比较省电； 2 LED 灯的寿命比卤素灯长；LED灯的主要弱点是灯光的射角太窄，成本相对较高；但从长远来看，由于LED灯的寿命

4、较长，所以仍是具有特别大的成本优势；220V AC/DC 转换器 例如 LM5021主要锁定舞台灯和路灯市场；2. DC/DC 转换器目前， LED手电筒占据了 DC/DC转换器的绝大部分需求量；手电筒采纳的LED功率基本上是 1W，供电方式包括锂电池和镍锌电池、碱性电池等；3W 手电筒的应用始终仍存在一些难点，由于 3W LED灯本身需要散热，散热装置的体积大，从而在肯定程度上减弱了LED灯体积小的优势；此外，由于3W LED灯的电流高达 700mA，一次充电后的电池使用时间缩短；尽管如此，对于上述应用国家半导体供应LM3475、LM2623A和 LM3485等方案；矿灯也是 LED灯的主要

5、应用领域之一，它属于特种照明行业，需要专业的认证标准，中国对 LED在矿灯领域的应用始终都很重视；目前， LED设计行业存在对特种行业的需求熟悉不足的问题，设计中常采纳一些不切实际的、新颖的设计方案；例如，将 LED灯和电池一起嵌入头盔，却没有考虑到矿灯特殊使用环境的各种需求，这可能是造成 LED在矿灯市场的应用始终没有打开局面的重要缘由；对于矿灯 LED应用，美国国家半导体供应了丰富的DC/DC稳压器产品，包括LM3485、LM3478和 LM5010；已经用户采纳一颗1W的 LED灯，四周再放 6 颗一般的高亮度 LED灯， 构成一种具有特殊闪耀功能的矿灯；欢迎下载精品学习资源总而言之，

6、LED灯在灯饰和特种照明行业有着广泛的进展前景，国家半导体为此供应完整的新型 LED驱动解决方案图 3：基于 LM2734的恒流驱动电路；高效的恒流驱动电路恒压供电的基本电路 图 1 左采纳反馈电阻 RFB1和 RFB2，当负载电流发生变化时，VFB也随之变化， DC/DC稳压器通过感知 VFB的变化，使输出电压维护在一个固定的电平：V0=VFB*RFB1+RFB2/RFB1 1在图 1 右边电路中， DC/DC稳压器的 FB是高阻输入端，流经LED的电流 IF 为：IF=VFB/RFB 2为保持 IF 恒定， DC/DC稳压器感知 VFB，然后调整 LED正端电压，使流经LED的电流保持恒定

7、；这就是利用DC/DC稳压器 FB反馈端实现恒压到恒流转换的原理；一般来说， DC/DC稳压器对 VFB的变化有一个感知的范畴，一旦LED选定，其工作电流IF的大小也就确定了，所选的电阻要保证VFB落在 DC/DC稳压器容许的范畴内；以 VFB等于 1.25V 为例，假设 IF 分别为 15mA、350mA和 700mA，采样电阻的功耗将分别小于 20mW、400mW和 800mW；对于 1W的 LED来说，采样电阻的功耗分别占到总电源消耗的2%、 40%和 80%；因此，采样电阻的设计对提高LED的功效至关重要，它应当选取尽可能小的数值；欢迎下载精品学习资源由于直接将 RFB连接 FB端会造

8、成 RFB的功耗过大，所以在FB端和 RFB之间放置一个运算放大器，以放大 RFB采集到的电压 VTAP图 2；IF=VTAP/RFB=VFB/RFB*1+RF/RI 3通常， 1W大功率 LED的典型工作电流为350mA，假如挑选 RFB等于 1 欧姆，就 RFB的功耗为：PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W 4考虑运算放大器本身的功耗，RFB及其附属电路的功耗大约为1W LED功率的 12%；这样就能在确保 LED获得恒流供电的同时，将RFB的功耗降低到可以接受的水平，从而使LED两端的电压尽可能大，流经的电流也尽可能大；国家半导体依据这个原理工作的稳压器有LM2736和 LM2

9、734；图 4：从采样电阻直接猎取反馈电压的设计；LM2734是 1A 降压型稳压器；基于LM2734的恒流驱动电路 图 3利用 LM321运算放大器猎取采样电阻 Rset 上的电压，结合其它电阻和电容就可以构成一个完整、高效率的大功率LED恒流驱动电路；在实际使用中，有些LED恒流驱动电路可以直接从采样电阻猎取反馈电压，如图 4 所示；图 3 中采样电阻 Rset 打算了恒流驱动电路的设计，而且对整个系统的效率有重要影响，因此认真设计 Rset 对节约能源至关重要；图3 和图 4 的具体设计文件请向国家半导体当地授权分销商索取；一般来说，假如要求LED驱动电流的变化不超过标称值的5%至 10

10、%，那么采纳精度为2%的电阻就足够了； LED驱动电流的典型波动范畴是正负10%；由于采样电阻消耗的功率较大， 应防止使用功率较小的贴片电阻；此外，LM3478方案适用于多个大功率LED的恒流驱动， 而基于 LM5021的恒流驱动设计方案就针对220V AC/DC 转换器的应用；恒流驱动与散热的考虑欢迎下载精品学习资源就电子电路系统设计而言，工程师在设计LED 恒流驱动电路时第一要明白LED 的恒流参数；目前 LED芯片的制造商许多，国内外LED的差异主要在于相同电参数的情形下，流明数可能不同，因此设计工程师要清晰地熟悉到LED 功率并不是打算发光效率的唯独参数；例如，同样是 1W的 LED，

11、有的 LED可以达到 40 流明的亮度，而有的只能达到20 流明的亮度，这是由于 LED光学效率仍取决于材料和制作工艺等诸多环节；有些设计工程师为提高发光效率而实行加大驱动电流的方法，例如，对于同一颗 1W LED， 加大驱动电流后，亮度可以从 20 流明提高到 40 流明，但是 LED 的工作温度也相应上升了；一旦温度超过 LED 的限温点，就会影响 LED的寿命和牢靠性，这是设计恒流驱动过程中需要留意的重要问题；此外， LED照明系统的光学效率不仅仅取决于LED恒流驱动方案，仍与整个系统的散热设计亲密相关；为缩小体积，某些LED恒流驱动系统将 LED驱动电路与散热部分贴近设计， 这样简单影

12、响牢靠性；一般来说， LED照明系统的热源基本就是LED灯本身的热源，热源太集中会产生热损耗， 因此 LED驱动电路不能与散热系统紧贴在一起；建议实行以下散热措施：LED灯采纳铝基板散热；功率器件匀称排布；尽可能防止将LED驱动电路与散热部分贴近设计；抑制封装 至印刷电路基板的热阻抗；提高LED芯片的散热顺畅性以降低热阻抗；表 1：大功率 LED在寿命上具有很大优势；新应用对驱动器的要求大功率 LED被称为“绿色光源”，它将向大LED电流 300mA 至 1.4A 、高效率 60 至 120流明 / 瓦、亮度可调的方向进展；由于大功率 LED在寿命上具有很大优势 表 1，所以进展前景特别宽阔，

13、其中最被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器外表及其它特种照明环境；但这些应用对LED驱动系统设计也提出了新的要求，包括：输入电压范畴一般要求为6V 到 24V；具有冲击负载爱护、欢迎下载精品学习资源反相和过压爱护；待机功耗特别低；低带隙基准以削减电流检测损耗以及具有PWM调整亮度的功能等；针对这些需求，美国国家半导体公司供应了全系列LED驱动器设计方案 见表 2，可以为用户供应全面的 LED驱动器解决方案；LED照明系统需要借助于恒流供电，目前主流的恒流驱动设计方案是利用线性或开关型DC/DC稳压器结合特定的反馈电路为LED供应恒流供电，依据DC/DC稳压器外围电路设计的差异，又可以分为电感型LED驱动器和开关电容型LED驱动器；电感型升压驱动器方案其优点是驱动电流较高，LED的端电压较低、功耗较低、效率保持不变，特殊适用于驱动多只 LED的应用；在大功率LED驱动器设计中，主要采纳开关电容型LED驱动方案，其优点是 LED两端的电压较高、流过的电流较大，从而获得较高的功效及光学效率；先进的开关电容技术仍能够提高效率，因而在大功率LED驱动中应用广泛；表 2：美国国家半导体的LED驱动器解决方案一览表；欢迎下载