为高亮度LED提供高效电流驱动

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V_F (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V_F，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：V_F = 4V、I_LED = 350mA、V_IN = 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：V_REF = 1.22V、R_SENSE是R2、R3与R4的并联电阻值(= 5)。

　　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：V_CONTROL，CH3：I_LED。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 PWM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. 电源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。