照明用LED驱动技术方案的探讨
1 引言
照明现在基本都普及了led。为此，必须了解led的使用条件、工作原理、驱动方法和典型应用，才能让led照明的应用最大化。
2 led工作原理
要设计驱动电路，首先要掌握其工作原理。led的亮度主要与vf、if有关。led的伏安特性见图1，其中vf是led的正向压降、if是正向电 流。当正向电压超过阈值(即导通电压，如图约1.7v)时，可近似认为if与vf成正比。由图可知，led的最高if可达1a，而vf通常为2 v～4v。
图1 led的vf与if 的关系
led的正向压降变化范围比较大(可达1v以上)，而由上图中的vf-if曲线可知，vf的微小变化会引起if较大的变化，从而引起亮度的较大变 化。所以，通常led的发光特性都用电流的函数来描述，而不是电压的函数。但一般的整流电路的输出电压随着电网电压的波动也会变化，由此可知，采用恒压源 驱动不能保证led亮度的一致性，并且影响led的特性。因此，led驱动通常采用恒流源驱动。
3 led驱动技术
由led的工作原理知道，要使led保持最佳的亮度状态，需要恒流源来驱动。驱动的任务既要保持恒流特性，还要保持较低的功耗。为了满足以上要求，通常采用的控制电流的方法有：通过调节限流电阻的大小实现控制电流;通过调节限流电阻上的基准电压来调节电流;pwm调制实现电流控制。led的驱动技术与开关电源中应用的技术十分类似，led驱动电路是一种电源转换电路，但输出的是恒定电流而非恒定电压。无论在任何情况下，都要输出恒定而平均的电流，纹波电流要控制在一定的范围内。
⑴ 限流法
如图2所示，这是传统的电路。电网电压通过降压、整流、滤波后，通过电阻限流使led稳定工作。这种电路的致命缺点是：电阻r上的功耗直接影响了 系统的效率，再加上变压器损耗，系统效率约50%。当电源电压在±10%的范围内变动时，流过led的电流变化将≥25%，led上的功率变化超过 30%。电阻限流的优点是设计简单、成本低、无电磁干扰;但是电流会随着vf的变化而改变亮度，效率很低，散热难。
图2 限流法
⑵ 稳压法
图3是在图2的基础上加了一个集成稳压元件mc7809，使输出端的电压基本稳定在9v，限流电阻r可用得很小，不会 造成led的电压不稳。但是，此电路效率还是低。因为mc7809和r1上的压降仍占很大比例，其效率约为40%左右。这就称不上是节能照明产品。为了达 到既能使led稳定工作，又能保持高的效率，应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提高。线形稳压法的优点是结构简单、外部元件少、效率中等、成本较低。
图3 稳压法
⑶ pwm法
pwm脉宽调制，即用脉宽调制的方法，改变led驱动电流的脉冲占空比来控制光的亮度。是利用简单的数字脉冲，反复开 关led驱动器的调光技术。使用者只需提供宽、窄不同的数字脉冲，即可实现改变输出电流，从而调节白光led的亮度。此驱动电路的特点是，通过一个电感器 将能量传递给负载，通常是用一个pwm控制信号，对mosfet晶体管触发导通和关断来实现。通过改变pwm的占空比和电感器的充放电时间，对输入电压和 输出电压的比率进行调节。这类电路常见的结构包括降压、升压、降压-升压等类型。优点是高效、稳定，但容易产生人耳听得见的噪声，成本高，设计复杂。
图4 pwm法
图4的pwm信号，经过三极管vq1的基极连接到p沟道mos管的栅极上。p沟道mos管的栅极驱动，采用简单的npn三极管驱动放大电路，以改 善mos管的导通过程，减少驱动电源的功率。当驱动电路直接驱动mos管时，会引起被驱动mos管的快速开通和关断，这就可能造成被驱动mos管漏源极间 电压的振荡。一则引起射频干 扰，二则有可能造成mos管遭受过高的电压而击穿损坏。为解决这一问题，需在被驱动mos管的栅极与驱动电路的输出之间串联一只无感电阻。当pwm波输出 高电平时，三极管vq1导通，从而使mos管的栅极电压低于源极电压，mos管的源极和漏极导通，led点亮。当pwm波输出低电平时，vq1截 止，led熄灭。
4 典型照明led驱动方案
目前全球led市场主要有日本的日亚化学(nichia)、丰田合成(toyodagosei)、美国cree公司、欧洲飞利浦(philipslumileds)和欧司朗(osram)5家掌控。照明led驱动芯片制造商，国内利用较多的有华润矽威科技和***点晶科技的产品，国外利用较多的有安森美和美国国家半导体等芯片。
(1)华润矽威的led驱动芯片
华润矽威科技最新推出的pt4207采用sop8封装，是一款高压降压式led驱动控制芯片，能适应从18v到450v的输入电压范围，可支持上 百个led的串并联驱动应用，占空比最高可达100%，以保证系统的高效能。内置输入电压补偿功能，极大改善了pt4207在不同输入电压下的led电流 稳定性。pt4207内置一个350ma开关，并配备外部mos开关驱动端口。对于350ma以下的应用无需外部mos开关，对于高于350ma的应用可 采用外部mos管扩展电流。led电流可通过外部电阻设定。通过多功能调光dim管脚，可使用电阻或dc电压线性调节led电流，也可使用数字脉冲信号进 行pwm调光。pt4207具有多种保护功能，包括负载短路保护、开路保护、过温度保护等。适合ac/dc led日光灯、rgb背光led驱动、led环境装饰灯等各种应用。pt4207的典型应用线路如图5所示。
图5 led日光灯驱动芯片pt4207典型应用线路
(2)安森美led驱动芯片
安森美半导体ncl30000是一款极佳的产品，成本低，性能佳。这器件集成了pfc、dc-dc转换和led驱动器，简单易用，其小型soic 封装也有利于小巧设计和低成本。ncl30000采用紧凑型的8引脚表面贴装封装，使用临界导电模式反激架构，以单段式拓扑结构，在宽ac输入电压范围内 提供大于0.95的高功率因数。典型应用包括led驱动器电源、led嵌灯、三端双向可控硅开关组件(triac)可调光led灯及功率因数校正恒压电 源。其典型应用原理图如图6所示。
图6 ncl30000 典型应用原理图
(3)美国国家半导体led驱动芯片
恒流降压型，vin范围：lm3405 3v -15v/lm3405a 3v-22v;基准电流源：200mv;工作频率：0.550/1.6mhz;pwm调光。典型应用为：家用照明、路灯、广告装饰等。lm3405典型应用原理图见图7。
图7 lm3405典型应用原理图
(4)***点晶科技led驱动芯片
dm413是全彩驱动芯片，内置灰度产生器，采用pwm脉宽调制方式。专为led 照明、装饰、大屏显示等应用而设计。最大恒流输出：100ma;最大输出承受电压： 17v;最大串行时钟频率：20mhz;芯片工作电压：3.3v--5.5v。dm413具有若干信号输入输出引脚及多个功能设定引脚。信号通过输入接口 给dm413相应的输入引脚。3个输出引脚用于连接led，可分配给r，g，b三个颜色，同一个输出引脚接相同颜色的led，根据配色需要，每个输出引脚 可接一个或多个led。控制器输出接口具有三条信号线：一条串行数据输出线，一条时钟信号输出线及一条锁存信号线。这三条线分别接到驱动芯片相应的3个引 脚上。和一般的串行移位机制相同，在时钟信号的控制下，串行数据在驱动芯片内部移位寄存。当数据发送接收完毕，控制器向驱动芯片发送锁存信号，使led驱 动芯片锁存已存储的数据，同时会根据所存储的数据驱动led发光。该方式控制led以人眼分辨不出的高频率快速亮灭，根据芯片所存储的数据设定亮和灭所占 的比例，即实现灰度级别的控制。dm413的典型应用原理图见图8。
图8 dm413典型应用原理图
5 结语
综上所述可以看出，led在工作时需要有稳流、稳压的元件，但是此类元件应具备自身承担的分压高但功耗要小的特性。所以，应尽可能采用电容、电感或 有源开关电路等高效电路，这样才能保证led系统的高效率。
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图1 led的vf与if 的关系
led的正向压降变化范围比较大(可达1v以上)，而由上图中的vf-if曲线可知，vf的微小变化会引起if较大的变化，从而引起亮度的较大变 化。所以，通常led的发光特性都用电流的函数来描述，而不是电压的函数。但一般的整流电路的输出电压随着电网电压的波动也会变化，由此可知，采用恒压源 驱动不能保证led亮度的一致性，并且影响led的特性。因此，led驱动通常采用恒流源驱动。
3 led驱动技术
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⑴ 限流法
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图2 限流法
⑵ 稳压法
图3是在图2的基础上加了一个集成稳压元件mc7809，使输出端的电压基本稳定在9v，限流电阻r可用得很小，不会 造成led的电压不稳。但是，此电路效率还是低。因为mc7809和r1上的压降仍占很大比例，其效率约为40%左右。这就称不上是节能照明产品。为了达 到既能使led稳定工作，又能保持高的效率，应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提高。线形稳压法的优点是结构简单、外部元件少、效率中等、成本较低。
图3 稳压法
⑶ pwm法
pwm脉宽调制，即用脉宽调制的方法，改变led驱动电流的脉冲占空比来控制光的亮度。是利用简单的数字脉冲，反复开 关led驱动器的调光技术。使用者只需提供宽、窄不同的数字脉冲，即可实现改变输出电流，从而调节白光led的亮度。此驱动电路的特点是，通过一个电感器 将能量传递给负载，通常是用一个pwm控制信号，对mosfet晶体管触发导通和关断来实现。通过改变pwm的占空比和电感器的充放电时间，对输入电压和 输出电压的比率进行调节。这类电路常见的结构包括降压、升压、降压-升压等类型。优点是高效、稳定，但容易产生人耳听得见的噪声，成本高，设计复杂。
图4 pwm法
图4的pwm信号，经过三极管vq1的基极连接到p沟道mos管的栅极上。p沟道mos管的栅极驱动，采用简单的npn三极管驱动放大电路，以改 善mos管的导通过程，减少驱动电源的功率。当驱动电路直接驱动mos管时，会引起被驱动mos管的快速开通和关断，这就可能造成被驱动mos管漏源极间 电压的振荡。一则引起射频干 扰，二则有可能造成mos管遭受过高的电压而击穿损坏。为解决这一问题，需在被驱动mos管的栅极与驱动电路的输出之间串联一只无感电阻。当pwm波输出 高电平时，三极管vq1导通，从而使mos管的栅极电压低于源极电压，mos管的源极和漏极导通，led点亮。当pwm波输出低电平时，vq1截 止，led熄灭。
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(1)华润矽威的led驱动芯片
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图5 led日光灯驱动芯片pt4207典型应用线路
(2)安森美led驱动芯片
安森美半导体ncl30000是一款极佳的产品，成本低，性能佳。这器件集成了pfc、dc-dc转换和led驱动器，简单易用，其小型soic 封装也有利于小巧设计和低成本。ncl30000采用紧凑型的8引脚表面贴装封装，使用临界导电模式反激架构，以单段式拓扑结构，在宽ac输入电压范围内 提供大于0.95的高功率因数。典型应用包括led驱动器电源、led嵌灯、三端双向可控硅开关组件(triac)可调光led灯及功率因数校正恒压电 源。其典型应用原理图如图6所示。
图6 ncl30000 典型应用原理图
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图7 lm3405典型应用原理图
(4)***点晶科技led驱动芯片
dm413是全彩驱动芯片，内置灰度产生器，采用pwm脉宽调制方式。专为led 照明、装饰、大屏显示等应用而设计。最大恒流输出：100ma;最大输出承受电压： 17v;最大串行时钟频率：20mhz;芯片工作电压：3.3v--5.5v。dm413具有若干信号输入输出引脚及多个功能设定引脚。信号通过输入接口 给dm413相应的输入引脚。3个输出引脚用于连接led，可分配给r，g，b三个颜色，同一个输出引脚接相同颜色的led，根据配色需要，每个输出引脚 可接一个或多个led。控制器输出接口具有三条信号线：一条串行数据输出线，一条时钟信号输出线及一条锁存信号线。这三条线分别接到驱动芯片相应的3个引 脚上。和一般的串行移位机制相同，在时钟信号的控制下，串行数据在驱动芯片内部移位寄存。当数据发送接收完毕，控制器向驱动芯片发送锁存信号，使led驱 动芯片锁存已存储的数据，同时会根据所存储的数据驱动led发光。该方式控制led以人眼分辨不出的高频率快速亮灭，根据芯片所存储的数据设定亮和灭所占 的比例，即实现灰度级别的控制。dm413的典型应用原理图见图8。
图8 dm413典型应用原理图
5 结语
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