1、引言
“低碳”生活是目前倡導的一種觀念，對于照明來說，LED的應用就是具體體現。LED具有環保、節能、效率高、壽命長、安全可靠的優勢，為此，必須了解LED的使用條件、工作原理、驅動方法和典型應用。
2、LED工作原理
要設計驅動電路，首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要與VF、IF有關。LED的伏安特性見圖1，其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電流。當正向電壓超過閾值(即導通電壓，如圖約1.7V)時，可近似認為IF與VF成正比。由圖可知，LED的最高IF可達1A，而VF通常為2 V～4V。
圖1：LED的VF與IF 的關系
LED的正向壓降變化范圍比較大(可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變化。所以，通常LED的發光特性都用電流的函數來描述，而不是電壓的函數。但一般的整流電路的輸出電壓隨著電網電壓的波動也會變化，由此可知，采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的特性。因此，LED驅動通常采用恒流源驅動。
3、LED驅動技術
由LED的工作原理知道，要使LED保持最佳的亮度狀態，需要恒流源來驅動。驅動的任務既要保持恒流特性，還要保持較低的功耗。為了滿足以上要求，通常采用的控制電流的方法有：通過調節限流電阻的大小實現控制電流；通過調節限流電阻上的基準電壓來調節電流；PWM調制實現電流控制。LED的驅動技術與開關電源中應用的技術十分類似，LED驅動電路是一種電源轉換電路，但輸出的是恒定電流而非恒定電壓。無論在任何情況下，都要輸出恒定而平均的電流，紋波電流要控制在一定的范圍內。
1、引言
“低碳”生活是目前倡導的一種觀念，對于照明來說，LED的應用就是具體體現。LED具有環保、節能、效率高、壽命長、安全可靠的優勢，為此，必須了解LED的使用條件、工作原理、驅動方法和典型應用。
2、LED工作原理
要設計驅動電路，首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要與VF、IF有關。LED的伏安特性見圖1，其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電流。當正向電壓超過閾值(即導通電壓，如圖約1.7V)時，可近似認為IF與VF成正比。由圖可知，LED的最高IF可達1A，而VF通常為2 V～4V。
圖1：LED的VF與IF 的關系
LED的正向壓降變化范圍比較大(可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變化。所以，通常LED的發光特性都用電流的函數來描述，而不是電壓的函數。但一般的整流電路的輸出電壓隨著電網電壓的波動也會變化，由此可知，采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的特性。因此，LED驅動通常采用恒流源驅動。
3、LED驅動技術
由LED的工作原理知道，要使LED保持最佳的亮度狀態，需要恒流源來驅動。驅動的任務既要保持恒流特性，還要保持較低的功耗。為了滿足以上要求，通常采用的控制電流的方法有：通過調節限流電阻的大小實現控制電流；通過調節限流電阻上的基準電壓來調節電流；PWM調制實現電流控制。LED的驅動技術與開關電源中應用的技術十分類似，LED驅動電路是一種電源轉換電路，但輸出的是恒定電流而非恒定電壓。無論在任何情況下，都要輸出恒定而平均的電流，紋波電流要控制在一定的范圍內。
⑴ 限流法
如圖2所示，這是傳統的電路。電網電壓通過降壓、整流、濾波后，通過電阻限流使LED穩定工作。這種電路的致命缺點是：電阻R上的功耗直接影響了系統的效率，再加上變壓器損耗，系統效率約50%。當電源電壓在±10%的范圍內變動時，流過LED的電流變化將≥25%，LED上的功率變化超過30%。電阻限流的優點是設計簡單、成本低、無電磁干擾；但是電流會隨著VF的變化而改變亮度，效率很低，散熱難。
圖2：限流法
二極管改為空心通直線，電容為平行直線，刪除‘+’號，符號改為斜體，腳注改為小寫正體
⑵ 穩壓法
圖3是在圖2的基礎上加了一個集成穩壓元件MC7809，使輸出端的電壓基本穩定在9V，限流電阻R可用得很小，不會造成LED的電壓不穩。但是，此電路效率還是低。因為MC7809和R1上的壓降仍占很大比例，其效率約為40%左右。這就稱不上是節能照明產品。為了達到既能使LED穩定工作，又能保持高的效率，應采用低功耗的限流元件和電路來使系統效率提高。線形穩壓法的優點是結構簡單、外部元件少、效率中等、成本較低。
圖3：穩壓法
二極管改為空心通直線，電容為平行直線，刪除‘+’號，符號改為斜體，腳注改為小寫正體
⑶ PWM法
PWM脈寬調制，即用脈寬調制的方法，改變LED驅動電流的脈沖占空比來控制光的亮度。是利用簡單的數字脈沖，反復開關LED驅動器的調光技術。使用者只需提供寬、窄不同的數字脈沖，即可實現改變輸出電流，從而調節白光LED的亮度。此驅動電路的特點是，通過一個電感器將能量傳遞給負載，通常是用一個PWM控制信號，對MOSFET晶體管觸發導通和關斷來實現。通過改變PWM的占空比和電感器的充放電時間，對輸入電壓和輸出電壓的比率進行調節。這類電路常見的結構包括降壓、升壓、降壓-升壓等類型。優點是高效、穩定，但容易產生人耳聽得見的噪聲，成本高，設計復雜。
圖4：PWM法
上圖的符號改為斜體
圖4的PWM信號，經過三極管VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅動，采用簡單的NPN三極管驅動放大電路，以改善MOS管的導通過程，減少驅動電源的功率。當驅動電路直接驅動MOS管時，會引起被驅動MOS管的快速開通和關斷，這就可能造成被驅動MOS管漏源極間電壓的振蕩。一則引起射頻干擾，二則有可能造成MOS管遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題，需在被驅動MOS管的柵極與驅動電路的輸出之間串聯一只無感電阻。當PWM波輸出高電平時，三極管VQ1導通，從而使MOS管的柵極電壓低于源極電壓，MOS管的源極和漏極導通，LED點亮。當PWM波輸出低電平時，VQ1截止，LED熄滅。
4、典型照明LED驅動方案
目前全球LED市場主要有日本的日亞化學（Nichia)、豐田合成(ToyodaGosei)、美國Cree公司、歐洲飛利浦(PhilipsLumileds)和歐司朗(Osram)5家掌控。照明LED驅動芯片制造商，國內利用較多的有華潤矽威科技和臺灣點晶科技的產品，國外利用較多的有安森美和美國國家半導體等芯片。
（1）華潤矽威的LED驅動芯片
華潤矽威科技最新推出的PT4207采用SOP8封裝，是一款高壓降壓式LED驅動控制芯片，能適應從18V到450V的輸入電壓范圍，可支持上百個LED的串并聯驅動應用，占空比最高可達100%，以保證系統的高效能。內置輸入電壓補償功能，極大改善了PT4207在不同輸入電壓下的LED電流穩定性。PT4207內置一個350mA開關，并配備外部MOS開關驅動端口。對于350mA以下的應用無需外部MOS開關，對于高于350mA的應用可采用外部MOS管擴展電流。LED電流可通過外部電阻設定。通過多功能調光DIM管腳，可使用電阻或DC電壓線性調節LED電流，也可使用數字脈沖信號進行PWM調光。PT4207具有多種保護功能，包括負載短路保護、開路保護、過溫度保護等。適合AC/DC LED日光燈、RGB背光LED驅動、LED環境裝飾燈等各種應用。PT4207的典型應用線路如圖5所示。
圖5：LED日光燈驅動芯片PT4207典型應用線路
二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體
（2）安森美LED驅動芯片
安森美半導體NCL30000是一款極佳的產品，成本低，性能佳。這器件集成了PFC、DC-DC轉換和LED驅動器，簡單易用，其小型SOIC封裝也有利于小巧設計和低成本。NCL30000采用緊湊型的8引腳表面貼裝封裝，使用臨界導電模式反激架構，以單段式拓撲結構，在寬AC輸入電壓范圍內提供大于0.95的高功率因數。典型應用包括LED驅動器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開關組件(TRIAC)可調光LED燈及功率因數校正恒壓電源。其典型應用原理圖如圖6所示。
圖6：NCL30000 典型應用原理圖
二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體
（3）美國國家半導體LED驅動芯片
恒流降壓型，Vin范圍：LM3405 3V -15V/LM3405A 3V-22V；基準電流源：200mV；工作頻率：0.550/1.6MHZ；PWM調光。典型應用為：家用照明、路燈、廣告裝飾等。LM3405典型應用原理圖見圖7。
圖7：LM3405典型應用原理圖
二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體
（4）臺灣點晶科技LED驅動芯片
DM413是全彩驅動芯片，內置灰度產生器，采用PWM脈寬調制方式。專為LED 照明、裝飾、大屏顯示等應用而設計。最大恒流輸出：100mA；最大輸出承受電壓: 17V；最大串行時鐘頻率:20MHz；芯片工作電壓：3.3V--5.5V。DM413具有若干信號輸入輸出引腳及多個功能設定引腳。信號通過輸入接口給DM413相應的輸入引腳。3個輸出引腳用于連接LED，可分配給R，G，B三個顏色，同一個輸出引腳接相同顏色的LED，根據配色需要，每個輸出引腳可接一個或多個LED。控制器輸出接口具有三條信號線：一條串行數據輸出線，一條時鐘信號輸出線及一條鎖存信號線。這三條線分別接到驅動芯片相應的3個引腳上。和一般的串行移位機制相同，在時鐘信號的控制下，串行數據在驅動芯片內部移位寄存。當數據發送接收完畢，控制器向驅動芯片發送鎖存信號，使LED驅動芯片鎖存已存儲的數據，同時會根據所存儲的數據驅動LED發光。該方式控制LED以人眼分辨不出的高頻率快速亮滅，根據芯片所存儲的數據設定亮和滅所占的比例，即實現灰度級別的控制。DM413的典型應用原理圖見圖8。
圖8：DM413典型應用原理圖
二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體
5、結語
綜上所述可以看出，LED在工作時需要有穩流、穩壓的元件，但是此類元件應具備自身承擔的分壓高但功耗要小的特性。所以，應盡可能采用電容、電感或有源開關電路等高效電路，這樣才能保證LED系統的高效率。采用串聯式集成恒功率輸出電路，可以使LED的光輸出在很寬的電源范圍內保持恒定，但一般的IC電路會因此而使效率有所下降。采用有源開關電路，可以保證在較高的轉換效率下，實現電源電壓大幅度變化時恒功率輸出。LED現今絕大多數芯片都可以從0～100%的調制光度，并且可保證在整個調光過程保持較高光效，并且不損害LED的壽命。目前，針對光度控制方面，主要的兩種解決方案為線性調節LED的電流(模擬調光)或在肉眼無法察覺的高頻下，讓驅動電流從0到目標電流值之間來回切換(數字調光)。利用脈沖寬度調變(PWM)來設定循環和工作周期可能是實現數字調光的最簡單的方法。
作者：姚曉平 高級工程師，研究方向是“應用電子技術”