摘 要:在簡(jiǎn)要介紹超高亮LED的特點(diǎn)以及特性的基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了LED的電阻限流、線性調(diào)節(jié)器和開關(guān)調(diào)節(jié)器等驅(qū)動(dòng)方式,在此基礎(chǔ)上介紹了超高亮LED的驅(qū)動(dòng)芯片MLX10801的功能和應(yīng)用.并給出了當(dāng)前主要超高亮LED驅(qū)動(dòng)芯片的主要特點(diǎn).

關(guān)鍵詞:發(fā)光二極管:超高亮:恒流驅(qū)動(dòng)

引言
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)發(fā)明于20世紀(jì)60年代,它是利用半導(dǎo)體材料中的電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量,使得能量帶(Energy Gat,)位階改變,以發(fā)光顯示其所釋放出的能量.LED具有體積小、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電壓低、耗電量低、反應(yīng)速率快、耐震性佳等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于信號(hào)指示、數(shù)碼顯示等領(lǐng)域.隨著技術(shù)的不斷進(jìn)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(lái)越多地用在彩燈裝飾、甚至照明領(lǐng)域.

1、超高亮LED的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的照明燈相比,超高亮LED具有如下優(yōu)點(diǎn):
1)壽命長(zhǎng),可靠耐用,維護(hù)費(fèi)用極為低廉LED可連續(xù)使用105h,比普通白熾燈泡長(zhǎng)100倍;
2)高效率現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到201m/w．預(yù)計(jì)到2005年將達(dá)到501m/W[1],LED)的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,其發(fā)光效率可達(dá)80%~90%,LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4;
3)色彩鮮艷,光色單純 以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例,它采用低光效的140W白熾燈作為光源,所產(chǎn)生的2000lm的白光經(jīng)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(gè)紅色LED光源設(shè)計(jì)的燈中,包括電路損失在內(nèi),僅耗電14W,即可產(chǎn)生同樣的光效;
4)點(diǎn)亮速度快 汽車信號(hào)燈是LED光源應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域,由于LED響應(yīng)速度快(ns級(jí)),在汽車上安裝高位LED剎車燈,可以減少汽車追尾事故的發(fā)生.
盡管超高亮LED具有許多優(yōu)點(diǎn),但目前仍存在下述缺點(diǎn):

1)功率低市面上的單體LED功率一般在5W以下,還沒(méi)有出現(xiàn)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(yán)格控制溫度 LED是一種半導(dǎo)體材料,與普通二極管一樣具有PN結(jié),由于高亮二極管的功率相對(duì)比較大,所以與功率半導(dǎo)體器件相同,需要考慮散熱問(wèn)題,結(jié)溫過(guò)高會(huì)直接影響LED的壽命,并且會(huì)增大LED的光衰,情況嚴(yán)重的會(huì)將LED燒壞;
3)價(jià)格高除了功率低,價(jià)格是LED難以成為照明的主要因素,雖然LED目前已被大多數(shù)人認(rèn)識(shí),也被多數(shù)人看好,但其高昂的價(jià)格難以被消費(fèi)者接受.
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(guān)系曲線,由曲線可知,當(dāng)正向電壓超過(guò)某個(gè)閾值(約2V),即通常所說(shuō)的導(dǎo)通電壓之后,可近似認(rèn)為,IF與VF成正比.表1是當(dāng)前主要超高亮LED的電氣特性.由表1可知,當(dāng)前超高亮LED的最高IF可達(dá)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(shù),而不是電壓的函數(shù),光通量(φV)與IF的關(guān)系曲線如圖2所示,因此,采用恒流源驅(qū)動(dòng)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(dá)1V以上),而由圖1中的VF-IF曲線可知,VF的微小變化會(huì)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng).

HPWA-xH00 LED的溫度與光通量(φV)關(guān)系曲線,由圖3可知光通量與溫度成反比,85℃時(shí)的光通量是25℃時(shí)的一半,而一40℃時(shí)光輸出是25℃時(shí)的1．8倍.溫度的變化對(duì)LFD的波長(zhǎng)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.

3 超高亮LED的驅(qū)動(dòng)電路
由于受到LED功率水平的限制,通常需同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED以滿足亮度需求,因此,需要專門的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)點(diǎn)亮LED.下面簡(jiǎn)要介紹LED驅(qū)動(dòng)的主要電路.

3．1 阻限流電路
電阻限流驅(qū)動(dòng)電路是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路,限流電阻按式(1)計(jì)算.

3．3開關(guān)調(diào)節(jié)器
上述驅(qū)動(dòng)技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制,而且效率低.在用于低功率的普通LED驅(qū)動(dòng)時(shí),由于電流只有幾個(gè)mA,因此損耗不明顯,當(dāng)用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅(qū)動(dòng)時(shí),功率電路的損耗就成了比較嚴(yán)重的問(wèn)題.開關(guān)電源是目前能量變換中效率最高的,可以達(dá)到90%以上.Buek、Boost和Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅(qū)動(dòng),只是為了滿足LED的恒流驅(qū)動(dòng),采用檢測(cè)輸出電流而不是檢測(cè)輸出電壓進(jìn)行反饋控制.

圖6(a)為采用Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路,與傳統(tǒng)的Buek變換器不同,開關(guān)管S移到電感L的后面,使得S源極接地,從而方便了S的驅(qū)動(dòng),LED與L串聯(lián),而續(xù)流二極管D與該串聯(lián)電路反并聯(lián),該驅(qū)動(dòng)電路不但簡(jiǎn)單而且不需要輸出濾波電容,降低了成本.但是,Buck變換器是降壓變換器,不適用于輸入電壓低或者多個(gè)LED串聯(lián)的場(chǎng)合.

圖6(b)為采用Boost變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路,通過(guò)電感儲(chǔ)能將輸出電壓泵至比輸入電壓更高的期望值,實(shí)現(xiàn)在低輸入電壓下對(duì)LED的驅(qū)動(dòng).

圖6(c)為采用Buck—Boost變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路.與Buek電路相似,該電路S的源極可以直接接地,從而方便了S的驅(qū)動(dòng).Boost和 Buck-Boosl變換器雖然比Buck變換器多一個(gè)電容,但是,它們都可以提升輸出電壓的絕對(duì)值,因此,在輸入電壓低,并且需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)應(yīng)用較多.
4 超高亮LED的驅(qū)動(dòng)控制芯片介紹
根據(jù)高亮LED大功率恒流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn),很多公司都推出了高亮LED的專用驅(qū)動(dòng)控制芯片,例如:Melexis、lnfinton(英飛凌)、Lienear Technology(凌特)、Supenex Inc、Analog.Devices(ADI)等.

4．1 MLxl0801芯片介紹
MLXl0801是Melexi8公刊的一款針對(duì)汽車應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片還可以用于繼電器等線圈的驅(qū)動(dòng),以及用作電子熔斷器.MLx10801芯片的原理框圖如圖7所示,它集成了功率MOSFET,最大驅(qū)動(dòng)電流為350mA.用作LED驅(qū)動(dòng)時(shí),它具有如下特點(diǎn):
—外邵應(yīng)用電路簡(jiǎn)單;
—內(nèi)部/外部溫度檢測(cè)保護(hù);
—高效率的開關(guān)電源驅(qū)動(dòng);

—可以通過(guò)PWM輸入控制亮度;
—LED的參數(shù)可以調(diào)節(jié)并可以存儲(chǔ)到片內(nèi)NV存儲(chǔ)器中.
MLX10801雖然僅有8個(gè)管腳,但功能強(qiáng)大,表2為MLXl0801的管腳功能介紹.

圖8為MlJXl0801的典型應(yīng)用電路,LED、L、D2、Rsense和MLXl0801內(nèi)集成的MOSFET組成一個(gè)典型的Buck型LED驅(qū)動(dòng)電路.圖8中的LED可以根據(jù)亮度需要采用多個(gè)LEI)串聯(lián).MLXl0801通過(guò)檢測(cè)Rsense上的電壓來(lái)檢測(cè)通過(guò)LED的峰值電流,將該電流值與設(shè)定的基準(zhǔn)值比較,通過(guò)控制腳DRV0UT的脈寬,來(lái)控制LED電流的大小.CONTR可以用作外部的開/關(guān)控制,或者輸入PWM信號(hào)來(lái)控制LED閃爍.當(dāng)不需要控制時(shí),可以將該管腳通過(guò)電阻R與腳VS相連.DSENSE用于連接外部的熱敏電阻檢測(cè)LED溫度,保護(hù)IED.雖然MLXl0801芯片內(nèi)部具有內(nèi)置熱敏電阻,但是,為了保證芯片與LED相距較遠(yuǎn)時(shí)仍能夠正確檢測(cè)到溫度,MIX10801仍然設(shè)置了腳DSENSE來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度的檢測(cè).腳CALIB用來(lái)與控制器通訊,用于接受控制器設(shè)定LED的電流、允許最高溫度、采用內(nèi)部溫度檢測(cè)還是外部溫度檢測(cè)、是否防抖、軟啟動(dòng)時(shí)間等參數(shù).

4.2 大功率LED驅(qū)動(dòng)芯片的比較
表3所列為當(dāng)前主要大功率IED驅(qū)動(dòng)控制芯片性能比較,在應(yīng)用大功率IED驅(qū)動(dòng)控制芯片時(shí),可以依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇:
1)當(dāng)需要較高功率時(shí)可選擇功率器件沒(méi)有集成在芯片內(nèi)的控制器,這樣就可以按照實(shí)際的功率需求單獨(dú)選擇功率器件;
2)當(dāng)需要較高的變換效率時(shí),如便攜式設(shè)備等,可選擇開關(guān)電源類的驅(qū)動(dòng)電路;
3)當(dāng)應(yīng)用于可靠性高的設(shè)備中,可選擇具有溫度保護(hù)、故障報(bào)警等控制功能全面的芯片.

5 結(jié)語(yǔ)
隨著技術(shù)的進(jìn)步,超高亮LED的功率會(huì)進(jìn)一步提高,成本也會(huì)降低,高效節(jié)能的超高亮LED必將廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域.而低成本,高可靠性的驅(qū)動(dòng)電路,是保證LED具有持久亮度的關(guān)鍵.