高亮度LED恒流驅動電路設計

高亮度LED恒流驅動電路設計

摘要：本文討論的簡單電路能夠調節高亮度LED的驅動電流，該電路采用非定制、高度集成的降壓型開關調節器(MAX5035)，能夠準確地控制流過LED的電流。MAX5035 DC/DC轉換器在7.5V至76V寬輸入電壓范圍內保持125kHz固定工作頻率，是汽車應用的理想之選。亮度控制可以通過模擬(線性調節)或低頻占空比(PWM調節)方式實現。

高亮度LED發展背景

近幾年，高亮度LED (HB LED)在各種照明系統中作為光源日益受到青睞，這是由于高亮度LED具有高度的可靠性，使用壽命可以達到幾十甚至幾萬小時，比傳統的白熾燈或鹵素燈的使用壽命高出幾個數量級?；谶@一優勢，高亮度LED在汽車照明、公共標示與信號標志以及建筑照明中得到普遍應用。

高亮度LED是經過特殊處理的PN結半導體器件，正向偏置時可發出白光、紅光、綠光或藍光(也可能產生其它顏色光)。作為PN結它們表現出類似于傳統二極管的V-I特性，但具有較高的結壓降。在正向電壓達到VF (從紅光LED的2.5V到藍光LED的4.5V)，流過LED的電流很??；一旦正向電壓達到VF，電流將迅速上升(與傳統二極管相同)。因此，必須采用限流措施限制電流的上升，以防LED損壞。目前有三種基本的限流方式，表1對這三種方式進行了對比：

表1. 限流方式比較

限流方式	優點	缺點	功耗1
電阻	價格低； 只需一個器件(雖然較大)；	不能準確地控制電流； 電流某種程度上跟隨電源電壓變化； 電阻上的功耗較大，必須據此確定電阻尺寸；	2.8W
有源線性控制	線性控制環路準確地控制LED電流； 控制調光電流； 可實現幅值和低頻PWM調節； 能夠實現LED特性的自動溫度補償；	比簡單的電阻限流成本高； 電源的功耗與電阻限流方案相同； 可能需要散熱器；	2.8W
開關調節控制	控制環路可準確調節LED電流； 可實現幅值和低頻PWM 調節； 能夠實現LED特性的自動溫度補償； 寬輸入電壓范圍； 基本上不需散熱器，可節省成本，降低裝配復雜性； 對于高輸入電壓和大工作電流，其它驅動方案會導致非常高的損耗，此模式則能保持高效工作。	與電阻和線性控制方式相比，電路成本較高； 需考慮EMI，須謹慎設計電路； 有源電路可能需要更多空間。但其他限流方式需要更大的散熱器和物理空間。	<0.8W

1假設一個白色LED：VF = 4V、ILED = 350mA、VIN = 12V。

高亮度LED開關電源

圖1是基于固定頻率、高集成度PWM開關轉換器MAX5035的高亮度LED電源原理圖，輸出電流可達1A。另一類似器件MAX5033的輸出電流可以達到500mA。這款基于電感的buck調節器能夠準確控制流過LED (或幾個串聯LED，總電壓為12V)的電流。MAX5035的開關頻率為125kHz，輸入電壓范圍高達76V (需使用更高額定電壓的輸入電容和二極管)。此電路可以在較寬的輸入電壓范圍內控制并保持恒定的LED電流。表2總結了該電路的設計規格。


圖1. 通過調節控制電壓(0V至3.9V)，MAX5035 LED電流驅動器能夠在LED_A和LED_K端產生近似350mA至0mA的輸出電流。

表2. 圖1電路的基本參數

參數	值
最小輸入電壓(V)	7.5 (大多數單LED)
最大輸入電壓(V)	30 (受D1和C8、C9限制)
最大輸出電流(mA)	350 (VCONTROL= 0V)
最大輸出電壓(V)	12 (由MAX5035內部限制，輸出電流350mA)
控制電壓范圍(VCONTROL) (V)	0 (滿電流)至3.9 (全部調暗)

利用圖1電路在控制端作用一個電壓調節LED電流(圖2)。圖3給出了這一控制架構的效率。


圖2. 圖1電路中LED電流隨控制電壓的變化關系曲線，電流測量值通過連接在LED_A端和LED_K端的電流表得到。


圖3. 圖1電路在驅動一只、兩只或三只綠色350mA串聯LED時，調節器效率與LED電流的關系曲線。

控制電壓與三個并聯檢流電阻的電壓共同作用到IC的反饋(FB)引腳。IC的內部控制環路使FB引腳的電壓保持在大約1.22V，因此，由于控制電壓與電流檢測電壓都必須保持在1.22V (由電阻R1和R5設置)，更高的控制電壓將產生更小的電流。

以下等式除了適用于本例外，還可用來設計其它的輸出電流和控制電壓：



其中：VREF = 1.22V、RSENSE是R2、R3與R4的并聯電阻值(= 5Ω)。

在許多情況下，利用低頻(50Hz至200Hz) PWM方式調節LED電流非常方便，通過控制脈沖寬度調節亮度(圖4)。雖然LED在每個脈沖期間保持相同亮度，肉眼能夠察覺到短暫的亮度變化，但是，這種調節方法的優點在于光譜保持不變，采用幅度調節時光譜會隨著流過LED電流的變化而改變。


圖4. 圖1電路低頻PWM亮度調節的控制和LED電流波形。Ch1：VCONTROL，Ch3：ILED。負載為三個串聯綠色LED，總電壓近似為9.5V。替換小的輸出電容，可以減小關斷時的振蕩幅度。

采用100Hz、0V至約3.9V的方波控制波形時，LED電流的脈沖如圖4所示。一般來說，低頻PWM調光電路的效率比線性LED調光電路(圖2)更高。


圖5. 圖1所示電路的PCB布局圖

結論

圖1所示IC (MAX5035、MAX5033)為恒流驅動高亮度LED提供了一種高性價比方案，該方案具有以下優勢：

• 高開關頻率(125kHz)允許選擇小電抗器件(L1和C2)。
• 能夠在寬輸入電壓范圍內實現高轉換效率。
• 輸出電壓可達12V，能夠驅動三個串聯的高亮度綠色LED。
• 無需機械散熱器。
• 電壓范圍可擴展至76V，適用于驅動汽車高亮度LED。
• 可用于24V信號標志燈和建筑照明。
• 通過變化電流檢測電阻R2、R3與R4值，輸出電流可達到1A。
• 內置開關功率MOSFET，簡化設計。
• 可通過控制輸入引腳，利用模擬電壓幅度(線性調光)調節LED的亮度。
• 通過控制輸入，利用低頻PWM信號調節亮度。