低電流線性LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案

楊勁松，朱佳南，陳尚智，陶 俊

(1.無錫市照明工程有限公司，江蘇無錫 214000;2.鹽城師范學(xué)院物電學(xué)院，江蘇 鹽城 224002）

0 引言

在眾多照明應(yīng)用中，線性LED驅(qū)動(dòng)器是首選的方案，因?yàn)槠湎鄬唵危子谠O(shè)計(jì)，且使LED能夠以精確的穩(wěn)定電流來驅(qū)動(dòng)，而無論LED正向壓降或輸入電壓如何變化。由于驅(qū)動(dòng)器是線性結(jié)構(gòu)，其必須匹配應(yīng)用的功率耗散要求。電流范圍在10 mA～1 A的寬廣范圍線性LED驅(qū)動(dòng)器方案，包括新穎的線性恒流穩(wěn)流器(CCR）方案及其他眾多線性驅(qū)動(dòng)器方案。

1 針對低電流LED驅(qū)動(dòng)的線性CCR及應(yīng)用示例

在電流低于350 mA的許多低電流LED應(yīng)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(dòng)方案。電阻用于限制LED串的電流，是成本最低的方案，易于設(shè)計(jì)，且沒有電磁兼容性問題。但是，使用電阻時(shí)，LED正向電流由電壓確定，在低電壓條件下，正向電流較低，會(huì)導(dǎo)致LED亮度不足，且在負(fù)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(qiáng)調(diào)低能耗的應(yīng)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)壓器方案能提供較佳的穩(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，要比普通線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟(jì)，但在性能上又要比電阻高。采用自偏置晶體管(SBT）技術(shù)，結(jié)合自身超強(qiáng)的工藝控制能力的LED驅(qū)動(dòng)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(shí)保護(hù)LED，使其免于過驅(qū)動(dòng)，在低輸入電壓時(shí)提供更高亮度。得益于其恒流特性，以減少或消除不同供應(yīng)商提供的不同LED的編碼成本，降低系統(tǒng)總成本。CCR也無EMI問題，采用高功率密度封裝，并通過AEC-Q101認(rèn)證。

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10～350 mA及20～160 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(hù)LED。這系列CCR在電流流動(dòng)前無電壓偏移，其快速導(dǎo)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。市場上沒有和CCR一樣的“即插即用”器件，其他器件都需最低0.5 V的電壓導(dǎo)通，而不會(huì)像CCR一樣立即導(dǎo)通(見圖1）。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），典型PWM調(diào)光頻率是0.1～3 kHz，調(diào)光過程中并無色彩漂移，因?yàn)長ED始終以優(yōu)化的電流導(dǎo)通。

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

圖2 CCR可靈活用于高端或低端驅(qū)動(dòng)，亦可驅(qū)動(dòng)多串LED

CCR帶有負(fù)溫度系數(shù)(NTC）特性，在極端電壓和工作溫度下保護(hù)LED免受熱失控影響。CCR易于設(shè)計(jì)，適合高端(High－side）及低端(Low－side）應(yīng)用(見圖2a），不需外部元件，非常簡單，適合更寬的應(yīng)用范圍。

CCR還能用于驅(qū)動(dòng)多串LED(見圖2b和圖2c），同樣是既可用于高端，也可用于低端。圖2b顯示的是單個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)多串LED的應(yīng)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故障則其他串LED的電流增加，加大故障風(fēng)險(xiǎn)。這種配置中較多功率耗散在單個(gè)CCR封裝之中。圖2c顯示的是多個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)多串LED，這種配置的保護(hù)性能最佳，既不需要匹配LED，某串LED故障對其他串也沒有影響，且功率在多個(gè)CCR封裝中耗散。

除了以單個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)單串或多串LED，還能并聯(lián)多個(gè)CCR(見圖3）來提供更大電流，驅(qū)動(dòng)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(shè)置要求，可調(diào)節(jié)電阻能耗不到150 mW。

CCR可以用于直接采用交流電源供電的應(yīng)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(yīng)用。采用CCR來驅(qū)動(dòng)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，光輸出率更高。

圖3 并聯(lián)多個(gè)或單個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)電路

圖4 NSI45090DDT4GCCR在驅(qū)動(dòng)LEDT8燈管中的電路圖

2 應(yīng)用于可尋址標(biāo)志、建筑物裝飾光等線性LED驅(qū)動(dòng)器

CCR這樣的低電流LED驅(qū)動(dòng)器，可應(yīng)用于顯示屏驅(qū)動(dòng)、可尋址標(biāo)志、建筑物裝飾等應(yīng)用領(lǐng)域。

標(biāo)志牌、滾動(dòng)橫幅、智能車輛標(biāo)志和體育計(jì)分板等LED應(yīng)用需要采用多顆LED，通常包含多串LED，要求LED驅(qū)動(dòng)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(hù)功能。針對這類應(yīng)用的方案需要CAT4008和CAT4106(見圖5）等恒流LED汲入型驅(qū)動(dòng)器，其中前者支持8通道，后者支持16通道，LED電流范圍均為2～100 mA，此電流由外部電阻設(shè)定。

某些旨在營造高視覺沖擊力效果的建筑物裝飾照明要求LED驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)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。

圖6為CAT4103及CAT4109 RGB像素LED驅(qū)動(dòng)器典型應(yīng)用電路圖。其中，CAT4101是1A高亮度線性LED驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)，針對要求大電流的建筑物L(fēng)ED裝飾照明應(yīng)用。CAT4103是3通道串行可編程恒流RGB像素LED驅(qū)動(dòng)器，為高端、多色彩、智能LED建筑物照明應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有高速串行接口，能支持達(dá)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像素LED驅(qū)動(dòng)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(yīng)用，如混色和建筑物重點(diǎn)照明。

圖5 CAT4016典型應(yīng)用電路圖

圖6 CAT4103及CAT4109 RGB像素LED驅(qū)動(dòng)器典型應(yīng)用電路圖

3 小結(jié)

采用低電流線性CCR方案，可有效地提高穩(wěn)流精度，實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍內(nèi)的LED發(fā)光管的亮度恒定，并具有在高輸入電壓時(shí)對LED發(fā)光管的實(shí)時(shí)保護(hù)，使其避免過分驅(qū)動(dòng)，另外在低輸入電壓時(shí)也可提高相對穩(wěn)定的更高亮度。該方案可應(yīng)用于顯示屏驅(qū)動(dòng)、可尋址標(biāo)志、建筑物裝飾等LED應(yīng)用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)方案相比，具有提供完全緩沖的編程數(shù)據(jù)輸出，提高維護(hù)顯示器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性、顯示器的視覺效果等技術(shù)優(yōu)勢。

［1］王增福.新編線性直流穩(wěn)壓電源［M］.電子工業(yè)出版社，2004

［2］郭志軍，侯民賢，張?jiān)谛?白光照明LED燈溫度特性研究［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2002

［3］周志敏，周紀(jì)海，等.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2006