基于超高亮LED的驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì)

摘要：在簡要介紹超高亮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、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，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)，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。
　　近年來高亮LED已經(jīng)在汽車的近光燈中得到了應(yīng)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(nèi)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(shè)計(jì)中。
　　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比較大，所以與功率半導(dǎo)體器件相同，需要考慮散熱問題，結(jié)溫過高會(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，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，目前單體黃色LED大約O．6元／個(gè)，綠色與藍(lán)色單體LED在1．8元／個(gè)左右，白色LED的價(jià)格達(dá)到了2.2～5.5元／個(gè)左右；如果將幾十個(gè)單體LED組合，其成本將大大增加,如把一個(gè)LED安裝在草坪燈里，其單價(jià)就相當(dāng)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(fā)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(guān)系曲線，由曲線可知，當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值(約2V)，即通常所說的導(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)。

　圖3是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。

 

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)電路來點(diǎn)亮LED。下面簡要介紹LED驅(qū)動(dòng)的主要電路。
 

3．1 電阻限流電路

　　如圖4所示，電阻限流驅(qū)動(dòng)電路是最簡單的驅(qū)動(dòng)電路，限流電阻按式(1)計(jì)算。

 

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(shí)的壓降；
VD為防反二極管的壓降(可選)；
y為每串LED的數(shù)目；
x為并聯(lián)LED的串?dāng)?shù)。
由圖1可得LED的線性化數(shù)學(xué)模型為

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

當(dāng)電阻選定后，電阻限流電路的IF與VF的關(guān)系為

　　由式(4)可知電阻限流電路簡單，但是，在輸入電壓波動(dòng)時(shí)，通過LED的電流也會(huì)跟隨變化，因此調(diào)節(jié)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。