線性LED驅(qū)動器方案概覽及其典型應用

在眾多照明應用中，線性LED驅(qū)動器是首選的方案，因為它們相對簡單，易于設計，且使LED能夠以精確穩(wěn)流電流來驅(qū)動，而無論LED正向壓降或輸入電壓如何變化。由于驅(qū)動器是線性結(jié)構(gòu)，它們必須匹配應用的功率耗散要求。安森美半導體提供電流范圍在10 mA到1 A之間的寬廣范圍線性LED驅(qū)動器方案，包括新穎的線性恒流穩(wěn)流器(CCR)方案及其它眾多線性驅(qū)動器方案。

針對低電流LED驅(qū)動的線性CCR及應用示例
在電流低于350 mA的許多低電流LED應用中，如汽車組合尾燈、霓紅燈替代、交通信號燈、大型顯示屏背光、建筑物裝飾光及指示器等，可以采用普通的線性穩(wěn)壓器或是電阻來提供LED驅(qū)動方案。電阻用于限制LED串的電流，是成本最低的方案，易于設計，且沒有電磁兼容性問題。但是，使用電阻時，LED正向電流由電壓確定，在低電壓條件下，正向電流較低，會導致LED亮度不足，且在負載突降等瞬態(tài)條件下，LED可能受損。電阻方案的能效也最低，不利于節(jié)能，這在強調(diào)高低能耗的應用中尤為不利。此外，電阻方案也存在LED熱失控及篩選問題。線性穩(wěn)壓器方案的提供較佳的穩(wěn)流精度(±2%)，支持過功率自調(diào)節(jié)，也沒有EMI問題。這種方案的能效較低，成本適中。

客戶需要比普通線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟、但在性能上又比電阻高出許多的驅(qū)動方案。安森美半導體運用待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術(shù)，結(jié)合自身超強的工藝控制能力，推出了新穎的LED驅(qū)動方案——NSI45系列線性恒流穩(wěn)流器(CCR)。與電阻相比，線性CCR在寬電壓范圍下亮度恒定，在高輸入電壓時保護LED，使其免于過驅(qū)動，在低輸入電壓時提供更高亮度。得益于其恒流特性，客戶可以減少或消除不同供應商提供的不同LED的編碼成本，降系統(tǒng)總成本。CCR也無EMI問題，采用高功率密度封裝，并通過汽車行業(yè)AEC-Q101認證。

安森美半導體的CCR包含雙端固定輸出和三端可調(diào)節(jié)輸出兩種類型，電流等級分別涵蓋10至350 mA及20至160 mA，陽極-陰極最大電壓VAK分別為50 V和45 V。高VAK電壓幫助抑制浪涌，保護LED。這系列CCR在電流流動前無電壓偏移，其快速導通/關(guān)閉特性提供寬范圍及精確的脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光能力。市場上沒有跟CCR一樣的“即插即用”器件，其它器件都需最低0.5 V的電壓導通，而不會像CCR一樣立即導通(見圖1左)。CCR能以外部雙極結(jié)晶體管(BJT)來提供精確的PWM調(diào)光(見圖1右)，典型PWM調(diào)光頻率是0.1到3 kHz，調(diào)光過程中并無色彩漂移，因為LED始終以優(yōu)化的電流導通。

 
圖1： 25 mA的CCR與競爭器件的Ireg-Vin曲線比較(左)；CCR調(diào)光應用示例(右)。

CCR帶有負溫度系數(shù)(NTC)特性，在極端電壓和工作溫度下保護LED免受熱失控影響。CCR易于設計，適合高端(High-side)及低端(Low-side)應用(見圖2a)，不需外部元件，非常簡單，適合更寬的應用范圍；相比較而言，有些供應商提供跟安森美半導體CCR類似的功能或性能，但需要額外的外部元件、不能配置為高端或低端驅(qū)動器、封裝不同或是熱可靠性較遜。
 

圖2：CCR可靈活用于高端或低端驅(qū)動，亦可驅(qū)動多串LED。

CCR還能用于驅(qū)動多串LED(見圖2b和2c)，同樣是既可用于高端，也可用于低端。圖2b顯示的是單個CCR驅(qū)動多串LED的應用示例，這種配置的成本最低，但不同LED的正向壓降必須匹配，且某串LED故障則其它串LED的電流增加，加大故障風險。這種配置中較多功率耗散在單個CCR封裝之中。圖2c顯示的是多個CCR驅(qū)動多串LED，這種配置的保護性能最佳，既不需要匹配LED，某串LED故障對其它串也沒有影響，且功率在多個CCR封裝中耗散。

除了以單個CCR驅(qū)動單串或多串LED，還能并聯(lián)多個CCR來提供更大電流，驅(qū)動單串或多串LED。其中，使用三端可調(diào)節(jié)輸出CCR有助于滿足特定電流設置要求，可調(diào)節(jié)電阻能耗不到150 mW。                  

圖3：并聯(lián)多個CCR提供更大電流，驅(qū)動單串名多串LED。

CCR可以用于直接采用交流電源供電的應用。交流市電輸入經(jīng)過橋式整流后，只需要保證輸入電壓減去LED串總電壓后所剩下的電壓不超過CCR的VAK即可。CCR也可用于T8熒光燈管LED替代應用。采用CCR來驅(qū)動LED T8燈管(見圖4)與采用電子鎮(zhèn)流器的熒光燈相比，輸入功率更低，功率因數(shù)更高，總諧波失真更低，光輸出更高。

圖4：NSI45090DDT4G CCR在驅(qū)動LED T8燈管應用中的電路圖。

安森美半導體的NSI45系列CCR包含10、15、20、25或30 mA固定輸出版本，60至160 mA的可調(diào)節(jié)輸出版本，以及通過汽車標準認證的20至160 mA可調(diào)節(jié)輸出版本。安森美半導體并提供CCR樣品套件和評估板供客戶申請試用。

應用于可尋址標志、建筑物裝飾光等應用的線性LED驅(qū)動器
安森美半導體除了提供新的線性CCR這樣的低電流LED驅(qū)動器，更提供其它多種線性驅(qū)動器，用于顯示屏驅(qū)動、可尋址標志、建筑物裝飾光等應用領(lǐng)域。

諸如廣告牌標志、滾動橫幅、智能車輛標志和體育計分板等LED應用需要采用多顆LED，通常包含多串LED，要求LED驅(qū)動方案提供恒定的光輸出，不同通道間的電流匹配精度要高，要提供易用的接口來控制不同LED通道，并且要具備可靠的保護功能。安森美半導體針對這類應用的方案包括CAT4008和CAT4106等恒流LED汲入型驅(qū)動器，其中前者支持8通道，后者支持16通道，LED電流范圍均為2至100 mA，此電流由外部電阻設定。

圖5：CAT4016典型應用電路圖。

某些旨在營造高視覺沖擊力效果的建筑物裝飾照明應用使用高亮度的LED，要求LED驅(qū)動器能夠驅(qū)動高亮度LED，并且要具備高速接口，從而支持高數(shù)據(jù)率并確保維持高數(shù)據(jù)完整性，還需要具備超低的壓降，從而提供更高的能效。安森美半導體適合這類應用的LED驅(qū)動器包括CAT4101、CAT4103和CAT4109等。

 
圖6：CAT4103及CAT4109 RGB像素LED驅(qū)動器典型應用電路圖。

其中，CAT4101是1 A高亮度線性LED驅(qū)動器，不要求電感，消除開關(guān)噪聲，將元件數(shù)量減至最少，并簡化設計，針對要求大電流的建筑物LED裝飾照明應用。CAT4103是3通道串行可編程恒流RGB LED像素驅(qū)動器，為高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明應用而設計，具有高速串行接口，能支持達25 MHz的數(shù)據(jù)率，提供完全緩沖的數(shù)據(jù)輸出，確保在分布式(長距離)、菊花鏈型照明系統(tǒng)中維持最高的數(shù)據(jù)完整性。CAT4109也是三通道RGB LED像素驅(qū)動器，使用并行接口，每條通道具有專門的脈寬調(diào)制(PWM)控制，非常適合更常規(guī)的LED視覺效果應用，如混色和建筑物重點照明。

此外，在中大尺寸液晶電視應用中，LED背光也在加速替代傳統(tǒng)的CCFL背光。安森美半導體的CAT4026是一款6通道線性LED驅(qū)動器，用于大面板LED背光應用。設計人員可以在液晶電視的LED背光部分結(jié)合采用安森美半導體的NCP1397半諧雙電感加單電容(LLC)諧振控制器及CAT4026側(cè)光式LED線性驅(qū)動器，支持電路板高度低至8 mm的LED背光液晶電視設計。CAT4026以單顆IC支持6通道，且易于分級為多達12個或18 個通道(相應采用2個或3個控制器)，目標能效高于90%，典型能效達94%。此外，該驅(qū)動器還提供正向電壓監(jiān)測功能，可以限制總體功耗；還能為LED開路及過多LED短路等不同LED串故障提供保護。

 
圖7：背光部分采用NCP1397和CAT4026的46英寸LED背光液晶電視電源示意圖。

總結(jié)：
安森美半導體身為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應商，提供應用于各種LED照明/背光應用的高能效驅(qū)動器解決方案，包括AC-DC LED方案、DC-DC LED開關(guān)穩(wěn)壓器方案以及不同線性LED驅(qū)動器方案等。本文重點探討了安森美半導體的不同線性LED驅(qū)動器方案，包括應用于低電流應用的新穎的線性CCR方案，以及應用于可尋址標志和建筑物裝飾照明應用的線性LED驅(qū)動器方案?？蛻艨梢愿鶕?jù)實際應用需求選擇適合的安森美半導體線性LED驅(qū)動器方案，縮短設計周期，并加快產(chǎn)品上市進程。