高亮度LED恒流驱动电路设计
高亮度led恒流驱动电路设计
摘要：本文讨论的简单电路能够调节高亮度led的驱动电流，该电路采用非定制、高度集成的降压型开关调节器(max5035)，能够准确地控制流过led的电流。max5035 dc/dc转换器在7.5v至76v宽输入电压范围内保持125khz固定工作频率，是汽车应用的理想之选。亮度控制可以通过模拟(线性调节)或低频占空比(pwm调节)方式实现。
高亮度led发展背景近几年，高亮度led (hb led)在各种照明系统中作为光源日益受到青睐，这是由于高亮度led具有高度的可靠性，使用寿命可以达到几十甚至几万小时，比传统的白炽灯或卤素灯的使用寿命高出几个数量级。基于这一优势，高亮度led在汽车照明、公共标示与信号标志以及建筑照明中得到普遍应用。
高亮度led是经过特殊处理的pn结半导体器件，正向偏置时可发出白光、红光、绿光或蓝光(也可能产生其它颜色光)。作为pn结它们表现出类似于传统二极管的v-i特性，但具有较高的结压降。在正向电压达到vf (从红光led的2.5v到蓝光led的4.5v)，流过led的电流很小；一旦正向电压达到vf，电流将迅速上升(与传统二极管相同)。因此，必须采用限流措施限制电流的上升，以防led损坏。目前有三种基本的限流方式，表1对这三种方式进行了对比：
表1. 限流方式比较 限流方式 优点 缺点 功耗¹
电阻 价格低； 只需一个器件(虽然较大)； 不能准确地控制电流； 电流某种程度上跟随电源电压变化； 电阻上的功耗较大，必须据此确定电阻尺寸； 2.8w
有源线性控制 线性控制环路准确地控制led电流； 控制调光电流； 可实现幅值和低频pwm调节； 能够实现led特性的自动温度补偿； 比简单的电阻限流成本高； 电源的功耗与电阻限流方案相同； 可能需要散热器； 2.8w
开关调节控制 控制环路可准确调节led电流； 可实现幅值和低频pwm 调节； 能够实现led特性的自动温度补偿； 宽输入电压范围； 基本上不需散热器，可节省成本，降低装配复杂性； 对于高输入电压和大工作电流，其它驱动方案会导致非常高的损耗，此模式则能保持高效工作。 与电阻和线性控制方式相比，电路成本较高； 需考虑emi，须谨慎设计电路； 有源电路可能需要更多空间。但其他限流方式需要更大的散热器和物理空间。 <0.8w
¹假设一个白色led：vf = 4v、iled = 350ma、vin = 12v。 高亮度led开关电源图1是基于固定频率、高集成度pwm开关转换器max5035的高亮度led电源原理图，输出电流可达1a。另一类似器件max5033的输出电流可以达到500ma。这款基于电感的buck调节器能够准确控制流过led (或几个串联led，总电压为12v)的电流。max5035的开关频率为125khz，输入电压范围高达76v (需使用更高额定电压的输入电容和二极管)。此电路可以在较宽的输入电压范围内控制并保持恒定的led电流。表2总结了该电路的设计规格。
图1. 通过调节控制电压(0v至3.9v)，max5035 led电流驱动器能够在led_a和led_k端产生近似350ma至0ma的输出电流。
表2. 图1电路的基本参数 参数 值
最小输入电压(v) 7.5 (大多数单led)
最大输入电压(v) 30 (受d1和c8、c9限制)
最大输出电流(ma) 350 (vcontrol= 0v)
最大输出电压(v) 12 (由max5035内部限制，输出电流350ma)
控制电压范围(vcontrol) (v) 0 (满电流)至3.9 (全部调暗)
利用图1电路在控制端作用一个电压调节led电流(图2)。图3给出了这一控制架构的效率。
图2. 图1电路中led电流随控制电压的变化关系曲线，电流测量值通过连接在led_a端和led_k端的电流表得到。
图3. 图1电路在驱动一只、两只或三只绿色350ma串联led时，调节器效率与led电流的关系曲线。
控制电压与三个并联检流电阻的电压共同作用到ic的反馈(fb)引脚。ic的内部控制环路使fb引脚的电压保持在大约1.22v，因此，由于控制电压与电流检测电压都必须保持在1.22v (由电阻r1和r5设置)，更高的控制电压将产生更小的电流。
以下等式除了适用于本例外，还可用来设计其它的输出电流和控制电压：
其中：vref = 1.22v、rsense是r2、r3与r4的并联电阻值(= 5ω)。
在许多情况下，利用低频(50hz至200hz) pwm方式调节led电流非常方便，通过控制脉冲宽度调节亮度(图4)。虽然led在每个脉冲期间保持相同亮度，肉眼能够察觉到短暂的亮度变化，但是，这种调节方法的优点在于光谱保持不变，采用幅度调节时光谱会随着流过led电流的变化而改变。
图4. 图1电路低频pwm亮度调节的控制和led电流波形。ch1：vcontrol，ch3：iled。负载为三个串联绿色led，总电压近似为9.5v。替换小的输出电容，可以减小关断时的振荡幅度。
采用100hz、0v至约3.9v的方波控制波形时，led电流的脉冲如图4所示。一般来说，低频pwm调光电路的效率比线性led调光电路(图2)更高。
图5. 图1所示电路的pcb布局图 结论图1所示ic (max5035、max5033)为恒流驱动高亮度led提供了一种高性价比方案，该方案具有以下优势： 高开关频率(125khz)允许选择小电抗器件(l1和c2)。 能够在宽输入电压范围内实现高转换效率。 输出电压可达12v，能够驱动三个串联的高亮度绿色led。 无需机械散热器。 电压范围可扩展至76v，适用于驱动汽车高亮度led。 可用于24v信号标志灯和建筑照明。 通过变化电流检测电阻r2、r3与r4值，输出电流可达到1a。 内置开关功率mosfet，简化设计。 可通过控制输入引脚，利用模拟电压幅度(线性调光)调节led的亮度。 通过控制输入，利用低频pwm信号调节亮度。
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