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大功率高亮度LED的驱动设计集锦

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  本文介绍了大功率高亮度LED的多种驱动方法。建立一个基于LED的系统需要完成以下任工作:1. 确定LED使用数量以及LED之间的连接方案;2. 选择线形模式或开关模式来驱动LED;3. 选择供电电源,即直流电压、交流电源或电池;4. 光学分系统例如透镜、表层滤镜等。LED的数量取决于对亮度的要求与LED的驱动电流。关于光学系统的介绍并不涵盖在本篇文章内。

  LED的连接方案

  当LED的数量大于一时,就必须要确定一种LED连接方案。在选择连接方案时并无硬性规则。有时只是偏爱问题。有时LED的连接方案可依据驱动器的选择来决定。有时可用供电电源和所需效能也会影响连接方案的选择。

  LED的连接一般分为三种主要结构,即串联、并联(共阳极、共阴极、共阳极与共阴极),以及串、并混联(2个LED串联、N个LED串联)

  1. 串联

  图1所示为LED的串联电路。串联电路中LED电流处处相等。串联的优点是,如果其中之一的LED开路,所有的LED都不会发光。串联两端的总VF变大,但对电流的需求变小。LED驱动电路输出的LED电压必须大于串联中总的VF电压。通常,额定LED输出电压越接近串联中总的VF电压,LED的效能越大。

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  2. 共阳极并联或共阴极并联

  当需要独立调整每一个LED的电流时,会使用共阳极或共阴极并联。并联的优点是,当一个LED开路时,不会对其他LED造成影响。并联的缺点是,电路需要较高的额定电流。

  3. 共阳极并联与共阴极并联

  LED导通电压之间的差异会导致电流参差。通过使用最小数量具有匹配特性(电特性、热特性和使用寿命)的LED可以避免出现这一情况,把若干具有匹配特性的LED放在一起就相当于一个具有较高额定电流的较大LED。由于具有不同的老化特性和热特性,这些相匹配的LED可能会逐渐分化。

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  4. 串并混联

  图3是串并联混合的例子。这种连接方案通常是总VF需求与总电流需求的折衷方案,因此它更适合于有效LED驱动

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  LED驱动电路

  连接方案会影响所需驱动通道的数目。大多数LED驱动器一般只有一个通道。然而,部分多通道LED驱动器也是可用的。在共阳极或共阴极的结构中,每个通道可控制单个串联支路上的LED或者并联LED中的单个支路。驱动串联LED需满足以下条件:

  1. 输出LED驱动电压必须大于串联LED总的VF电压;

  2. LED驱动恒定电流输出必须大于等于LED要求的电流。如果电流较大,可使用PWM减小或改变电路电流,例如传感电阻器。通常LED驱动器被分为线性LED驱动器和开关模式LED驱动器。

  线性LED驱动器效率较低并且通常占用较大空间。开关模式LED驱动器效率更高并且更小巧。但是,它们都具有电噪声与辐射性噪声问题并且设计复杂。

  当输入供电电压低于LED总的VF时,就必须使用开关模式LED驱动器。究竟选择线性LED驱动器还是开关模式LED驱动器,可根据它们的有效供电电压和工作效率直接判定。

  将稳压器变为LED驱动器

  一个标准的稳压器拥有下列插脚,VIN、GND、VOUT和FB。FB引脚通过检测一个输入电压来控制稳压器输出电压。对于恒定电流LED驱动器,必须要有电流检测。通过在LED的电流通路中安插一个电阻,将LED电流转变为FB引脚上的一个可测电压。通常将电阻器安插到LED阴极一侧来测定低端电压,否则只能将电阻器安插到LED阳极一侧来测定高端电压。此时需要一个带有高共模抑制比的差动放大器来测定电阻器两端的电压。

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  低压侧电阻值为VFB/ILED,而高压侧的电阻值为VFB/(ILED×AV)。

  其中,VFB是FB引脚的校准反馈电压;ILED是LED需要的电流;AV是差动放大器的增益。

 

  对于线性LED驱动器而言,被驱动的LED数目为:

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  对于开关式LED驱动器而言,被驱动的LED数目为:

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  其中,VIN是输入供电电压;VDO是输入和输出的电压差异;VR是电阻器两端的检测电压;VOR是串联的所有LED的额定输出电压;VF是标准的单个LED导通电压。

  线性LED驱动器的例子

  1. 单电阻限流

  用一个电阻来限制LED的直流供电电流。单电阻限流的优点是结构简单,但由于LED的导通电压会产生漂移,所以LED电流并不稳定。

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  该电阻为:

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  其中,VF是几个LED串的电压;IF为LED的电流;VIN为输入电压。

  2. LM317或LM317HV

  如图6所示,将LM317HV稳压器用作LED驱动器。

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  LM317HV将ADJ与OUT之间的电压稳定在1.23V,此时,LED的电流为ILED=1.23/R。

  相对单电阻驱动器此电路的优点是虽然LED的导通电压会产生漂移LED电流仍将保持恒定。

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