大功率LED恒流驱动电路的设计实例

虽然大功率LED现在还不能大规模取代传统的白炽灯，但它们在室内外装饰、特种照明方面有着越来越广泛的应用，因此掌握大功率LED恒流驱动器的设计技术，对于开拓大功率LED的新应用至关重要。LED按照功率和发光亮度可以划分为大功率LED、高亮度LED及普通LED。一般来说，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比较常见的有1W、3W、5W、8W和10W。已大批量应用的有1W和3WLED，而5W、8W和10WLED的应用相对较少。预计大功率LED灯会在2008年奥运会上大量应用，因此电子和照明行业都非关注LED照明新技术的发展应用。

恒流驱动和提高LED的光学效率是LED应用设计的两个关键问题，本文首先介绍大功率LED的应用及其恒流驱动方案的选择指南，然后以美国国家半导体(NS)的产品为例，重点讨论如何巧妙应用LED恒流驱动电路的采样电阻提高大功率LED的效率，并给出大功率LED驱动器设计与散热设计的注意事项。

驱动芯片的选择

LED驱动只占LED照明系统成本的很小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性。目前，美国国家半导体公司的LED驱动方案主要定位在中高端LED照明和灯饰等市场。灯饰分为室内和室外两种，由于室内LED灯所应用的电源环境有AC/DC和DC/DC转换器两种方式，所以驱动芯片的选择也要从这两方面考虑。
 

图1：利用DC/DC稳压器FB反馈端实现从恒压驱动(左图)到恒流驱动(右图)的转换。

1.AC/DC转换器

AC/DC分为220V交流输入和12V交流输入。12V交流电是酒店中广泛应用的卤素灯的电源，现有的LED可以在保留现有交流12V的条件下进行设计。针对替代卤素灯的设计，美国国家半导体LM2734的主要优势是体积小、可靠性高、输出电流高达1A，恰好适合卤素灯灯口直径小的特点。

取代卤素灯之后，LED灯一般做成1W或3W。LED灯与卤素灯相比有两大优势：(1)光源比较集中，1W照明所获得的亮度等同于十几瓦卤素灯的亮度，因此比较省电；(2)LED灯的寿命比卤素灯长。

LED灯的主要弱点是灯光的射角太窄，成本相对较高。但从长远来看，由于LED灯的寿命较长，所以还是具有非常大的成本优势。220VAC/DC转换器(例如LM5021)主要锁定舞台灯和路灯市场。
 

图2：在FB反馈端和RFB之间放置一个运算放大器以降低功耗。

2.DC/DC转换器

目前，LED手电筒占据了DC/DC转换器的绝大部分需求量。手电筒采用的LED功率基本上是1W，供电方式包括锂电池和镍锌电池、碱性电池等。3W手电筒的应用一直还存在一些难点，因为3WLED灯本身需要散热，散热装置的体积大，从而在一定程度上削弱了LED灯体积小的优势。此外，由于3WLED灯的电流高达700mA，一次充电后的电池使用时间缩短。尽管如此，对于上述应用国家半导体提供LM3475、LM2623A和LM3485等方案。

矿灯也是LED灯的主要应用领域之一，它属于特种照明行业，需要专业的认证标准，中国对LED在矿灯领域的应用一直都很重视。目前，LED设计行业存在对特种行业的需求认识不足的问题，设计中常采用一些不切实际的、新奇的设计方案。例如，将LED灯和电池一起嵌入头盔，却没有考虑到矿灯特殊使用环境的各种需求，这可能是造成LED在矿灯市场的应用一直没有打开局面的重要原因。

对于矿灯LED应用，美国国家半导体提供了丰富的DC/DC稳压器产品，包括LM3485、LM3478和LM5010。已经用户采用一颗1W的LED灯，周围再放6颗普通的高亮度LED灯，构成一种具有特殊闪烁功能的矿灯。

总而言之，LED灯在灯饰和特种照明行业有着广泛的发展前景，国家半导体为此提供完整的LED驱动解决方案。
 

图3：基于LM2734的恒流驱动电路。

高效的恒流驱动电路

恒压供电的基本电路(图1左)采用反馈电阻RFB1和RFB2，当负载电流发生变化时，VFB也随之变化，DC/DC稳压器通过感知VFB的变化，使输出电压维持在一个固定的电平：

V0=(VFB*(RFB1+RFB2))/RFB1(1)

在图1右边电路中，DC/DC稳压器的FB是高阻输入端，流经LED的电流IF为：

IF=VFB/RFB(2)

为保持IF恒定，DC/DC稳压器感知VFB，然后调整LED正端电压，使流经LED的电流保持恒定。这就是利用DC/DC稳压器FB反馈端实现恒压到恒流转换的原理。

一般来说，DC/DC稳压器对VFB的变化有一个感知的范围，一旦LED选定，其工作电流IF的大小也就确定了，所选的电阻要保证VFB落在DC/DC稳压器容许的范围内。

以VFB等于1.25V为例，假设IF分别为15mA、350mA和700mA，采样电阻的功耗将分别小于20mW、400mW和800mW。对于1W的LED来说，采样电阻的功耗分别占到总电源消耗的2%、40%和80%。因此，采样电阻的设计对提高LED的功效至关重要，它应该选取尽可能小的数值。
 

图4：从采样电阻直接获取反馈电压的设计。