超高亮LED的驅動電路設計方案

超高亮LED的驅動電路設計方案

摘要：在簡要介紹超高亮LED的特點以及特性的基礎上，詳細介紹了LED的電阻限流、線性調節器和開關調節器等驅動方式，在此基礎上介紹了超高亮LED的驅動芯片MLX10801的功能和應用．并給出了當前主要超高亮LED驅動芯片的主要特點。

關鍵詞：發光二極管：超高亮：恒流驅動

引言
　　發光二極管(Light Emitting Diode，LED)發明于20世紀60年代，它是利用半導體材料中的電子和空穴相互結合并釋放出能量，使得能量帶(Energy Gat，)位階改變，以發光顯示其所釋放出的能量。LED具有體積小、壽命長、驅動電壓低、耗電量低、反應速率快、耐震性佳等優點，被廣泛應用于信號指示、數碼顯示等領域。隨著技術的不斷進步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，使得它越來越多地用在彩燈裝飾、甚至照明領域。

1 超高亮LED的特點
　　與傳統的照明燈相比，超高亮LED具有如下優點：
　　1)壽命長，可靠耐用，維護費用極為低廉LED可連續使用105h，比普通白熾燈泡長100倍；
　　2)高效率現在已經可以達到201m／w．預計到2005年將達到501m／W[1]，LED)的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發光效率可達80％～90％，LED比節能燈還要節能1／4；
　　3) 色彩鮮艷，光色單純以12英寸的紅色交通信號燈為例，它采用低光效的140W白熾燈作為光源，所產生的2000lm的白光經紅色濾光片后，光損失90％，只剩下2001m的紅光，而在Lumileds Lighting公司采用18個紅色LED光源設計的燈中，包括電路損失在內，僅耗電14W，即可產生同樣的光效；
　　4)點亮速度快 汽車信號燈是LED光源應用的一個重要領域，由于LED響應速度快(ns級)，在汽車上安裝高位LED剎車燈，可以減少汽車追尾事故的發生。
　　近年來高亮LED已經在汽車的近光燈中得到了應用，例如德國奧迪公司的奧迪A86.O，意大利Fioravanti公司在2003年日內瓦車展上推出的概念車Yak，美國福特公司不久前在底特律車展上推出的Model U都開始將高亮LED用于前照燈的設計中。
　　盡管超高亮LED具有許多優點，但目前仍存在下述缺點：
　　1)功率低市面上的單體LED功率一般在5W以下，還沒有出現更大功率的LED，這是目前LED難以成為照明首選的最大瓶頸；
　　2)需要嚴格控制溫度 LED是一種半導體材料，與普通二極管一樣具有PN結，由于高亮二極管的功率相對比較大，所以與功率半導體器件相同，需要考慮散熱問題，結溫過高會直接影響LED的壽命，并且會增大LED的光衰，情況嚴重的會將LED燒壞；
　　3) 價格高除了功率低，價格是LED難以成為照明的主要因素，雖然LED目前已被大多數人認識，也被多數人看好，但其高昂的價格難以被消費者接受，目前單體黃色LED大約O．6元／個，綠色與藍色單體LED在1．8元／個左右，白色LED的價格達到了2.2～5.5元／個左右；如果將幾十個單體LED組合，其成本將大大增加,如把一個LED安裝在草坪燈里，其單價就相當于一般草坪燈的幾倍，LED要成為未來照明的主流光源，就一定要朝著大流明方向發展，成本才有可能降低，市場才有可能突破。

2 超高亮LED的特性
　　HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一種超高亮LED，本文以它為例分析超高亮LED的特性。圖1為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線，由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值(約2V)，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比。表1是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表1可知，當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為3～4V。

　　由于LED的光特性通常都描述為電流的函數，而不是電壓的函數，光通量(φV)與IF的關系曲線如圖2所示，因此，采用恒流源驅動可以更好地控制亮度。此外，由表1可知LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上)，而由圖1中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，IF 變化，從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅動。

　　圖3是HPWA-xH00 LED的溫度與光通量(φV)關系曲線，由圖3可知光通量與溫度成反比，85℃時的光通量是25℃時的一半，而一40℃時光輸出是25℃時的1．8倍。溫度的變化對LFD的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

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3 超高亮LED的驅動電路
　　由于受到LED功率水平的限制，通常需同時驅動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅動電路來點亮LED。下面簡要介紹LED驅動的主要電路。
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3．1 電阻限流電路

　　如圖4所示，電阻限流驅動電路是最簡單的驅動電路，限流電阻按式(1)計算。

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式中：Vin為電路的輸入電壓：
VF為IED的正向電流；
VF為LED在正向電流為，IF時的壓降；
VD為防反二極管的壓降(可選)；
y為每串LED的數目；
x為并聯LED的串數。
由圖1可得LED的線性化數學模型為

式中：Vo為單個LED的開通壓降；
Rs為單個LED的線性化等效串聯電阻。
則式(1)限流電阻的計算可寫為

當電阻選定后，電阻限流電路的IF與VF的關系為

　　由式(4)可知電阻限流電路簡單，但是，在輸入電壓波動時，通過LED的電流也會跟隨變化，因此調節性能差。另外，由于電阻R的接人損失的功率為xRIF，因此效率低。