高亮度LED恒流驅(qū)動電路設(shè)計

摘要：本文討論的簡單電路能夠調(diào)節(jié)高亮度LED的驅(qū)動電流，該電路采用非定制、高度集成的降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器(MAX5035)，能夠準確地控制流過LED的電流。MAX5035 DC/DC轉(zhuǎn)換器在7.5V至76V寬輸入電壓范圍內(nèi)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(diào)節(jié))或低頻占空比(PWM調(diào)節(jié))方式實現(xiàn)。

高亮度LED發(fā)展背景

近幾年，高亮度LED (HB LED)在各種照明系統(tǒng)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(tǒng)的白熾燈或鹵素燈的使用壽命高出幾個數(shù)量級。基于這一優(yōu)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(jīng)過特殊處理的PN結(jié)半導體器件，正向偏置時可發(fā)出白光、紅光、綠光或藍光(也可能產(chǎn)生其它顏色光)。作為PN結(jié)它們表現(xiàn)出類似于傳統(tǒng)二極管的V-I特性，但具有較高的結(jié)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的電流很小；一旦正向電壓達到VF，電流將迅速上升(與傳統(tǒng)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(yōu)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(jù)此確定電阻尺寸；	2.8W
有源線性控制	線性控制環(huán)路準確地控制LED電流； 控制調(diào)光電流； 可實現(xiàn)幅值和低頻PWM調(diào)節(jié)； 能夠?qū)崿F(xiàn)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(guān)調(diào)節(jié)控制	控制環(huán)路可準確調(diào)節(jié)LED電流； 可實現(xiàn)幅值和低頻PWM 調(diào)節(jié)； 能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)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(qū)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(shè)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(shè)一個白色LED：VF = 4V、ILED = 350mA、VIN = 12V。

高亮度LED開關(guān)電源

圖1是基于固定頻率、高集成度PWM開關(guān)轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器能夠準確控制流過LED (或幾個串聯(lián)LED，總電壓為12V)的電流。MAX5035的開關(guān)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(nèi)控制并保持恒定的LED電流。表2總結(jié)了該電路的設(shè)計規(guī)格。


圖1. 通過調(diào)節(jié)控制電壓(0V至3.9V)，MAX5035 LED電流驅(qū)動器能夠在LED_A和LED_K端產(chǎn)生近似350mA至0mA的輸出電流。

表2. 圖1電路的基本參數(shù)

參數(shù)	值
最小輸入電壓(V)	7.5 (大多數(shù)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(nèi)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(diào)暗)

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


圖2. 圖1電路中LED電流隨控制電壓的變化關(guān)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(qū)動一只、兩只或三只綠色350mA串聯(lián)LED時，調(diào)節(jié)器效率與LED電流的關(guān)系曲線。

控制電壓與三個并聯(lián)檢流電阻的電壓共同作用到IC的反饋(FB)引腳。IC的內(nèi)部控制環(huán)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(shè)置)，更高的控制電壓將產(chǎn)生更小的電流。

以下等式除了適用于本例外，還可用來設(shè)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(lián)電阻值(= 5Ω)。

在許多情況下，利用低頻(50Hz至200Hz) PWM方式調(diào)節(jié)LED電流非常方便，通過控制脈沖寬度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)方法的優(yōu)點在于光譜保持不變，采用幅度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的控制和LED電流波形。Ch1：VCONTROL，Ch3：ILED。負載為三個串聯(lián)綠色LED，總電壓近似為9.5V。替換小的輸出電容，可以減小關(guān)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(diào)光電路的效率比線性LED調(diào)光電路(圖2)更高。


圖5. 圖1所示電路的PCB布局圖

結(jié)論

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

• 高開關(guān)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(nèi)實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。
• 輸出電壓可達12V，能夠驅(qū)動三個串聯(lián)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(qū)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(nèi)置開關(guān)功率MOSFET，簡化設(shè)計。
• 可通過控制輸入引腳，利用模擬電壓幅度(線性調(diào)光)調(diào)節(jié)LED的亮度。
• 通過控制輸入，利用低頻PWM信號調(diào)節(jié)亮度。