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高亮度LED驱动技术浅谈




LED照明作为一种全新的照明技术,得到了全世界的关注,被誉为人类照明史上的第三次革命。与相对传统的卤素低压照明相比,采用高亮度LED作为室内装饰灯、景观照明、车载照明具有很多好处。高亮度LED能以更小的功率消耗提供更大的亮度,具有节能、环保、抗震、使用寿命长和快速接通的特点。 

  LED亮度控制技术 

  LED的亮度由流过的电流决定,然而对于不同的LED,相同的电流对应的正向电压却不相同,表1列出了针对一个高亮度LED的典型正向电压和驱动电流的相互关系。 

由于在不同的应用环境电源电压不同,以及LED正向电压的不同,为了确保LED最佳的性能和长久的工作寿命,就需要一个有效的恒流驱动电路,而不是传统AC/DC或DC/DC的恒压控制,通常采用一个电流检测电阻反馈LED电流实现其恒流控制。在很多应用中,都需要对LED的亮度(输出电流)进行调节,调节亮度一般有三种方法,一是通过调节电流检测电阻大小实现调节电流,二是通过改变基准电压(LED电流等于基准电压除以电流检测电阻),三是脉冲宽度(PWM)调光。然而,前两种方法(模拟调光)在改变LED亮度的时候无法保证LED的色度,如绿光LED的色度偏差随电流变化的关系如图1所示。 

为了避免电流变化引起的色度偏差,脉冲宽度调光(PWM)是一种有效的方法,PWM调光是保持正向导通电流不变,通过控制电流导通和关断的比例,从0%~100%的范围调节亮度。比如,要控制LED亮度为33%,则在每个周期电流开通33%,模拟调光和PWM调光如图2所示。 



为了避免眼睛能够看到LED的导通和关断,PWM调光的频率要高于100Hz。高于100Hz,眼睛就会对导通和关断时间进行平均,仅仅看到由PWM占空比决定的有效亮度。PWM调光的优势是LED正向导通的电流一直是恒定的,LED的色度就不会像模拟调光一样会变化。PWM调光可以在精确控制LED的亮度的同时,也保证LED发光的色度。对于一定频率的PWM调光,调光的范围取决于LED电流从关断到设定值的时间。比如,LED电流从关断到设定值的时间为20ms,对于100Hz的PWM调光比计算如下。 



100Hz的PWM调光最小占空比为0.2%,调光比为500:1(0.2%~100%),假如PWM调光频率为1kHz,则调光比为50:1(2%~100%)。 


  高亮度LED驱动方案 



美国市场调研公司Strategies Unlimited预计,到2010年,高亮度LED市场将达到83亿美元。面对如此诱人的市场,国外知名的电源管理芯片厂商如Linear Technology、National Semiconductor、Maxim、Zetex等都推出了一系列高亮度LED驱动方案。而国内LED驱动领先的华润矽威科技也推出了一系列高亮度LED驱动方案。比如华润矽威科技最近推出的降压型LED驱动芯片PT4115,该芯片在PT4105的基础上把输入电压范围扩大到8V~40V,输出LED电流提高到1.2A,以适应快速发展的大功率LED市场。PT4115使用非常容易,典型应用如图3所示,它只需要一个输入电容、一个电感、一个二极管和一个采样电阻,共四个外部元器件。 



PT4115可以驱动多达7个串联的LED,提供从1W~28W以上的输出功率,效率高达97%,如图4所示。由于外部电流检测电阻的压降仅为100mV,以及内部0.4Ω的导通电阻,降低了芯片和系统的功耗,大幅提升了LED照明系统的效率,达到省电的效果。同时PT4115输出LED的电流精度达±5%。 



为了方便用户有效的调光,PT4115可以接受PWM和模拟调光,特别需要指出的,PT4115极为快速的电流响应时间使得在100Hz PWM调光时的调光比高达5000:1(0.02%~100%)。图5、图6给出了PWM和模拟调光的特性曲线。 

从图7可以看出,PT4115电流设定时间仅为2ms。PT4115很宽的PWM调光频率范围使得客户灵活的选择以减小对系统的影响,比如选择大于20kHz的PWM调光频率就避开了对音频的干扰。PT4115内部的过温保护以及通过DIM管脚外接热敏电阻(NTC)检测LED温度,实现对LED的双重的过温保护,在MR16灯杯散热不是很理想的环境下非常必要。另外,PT4115采用了抖动频率技术降低EMI。 


为了满足客户直接通过110/220VAC驱动LED的要求,华润矽威科技相应推出了一颗PT4107,其典型应用如图8所示,它采用华润矽威专利的峰值电流补偿技术使得LED电流在很宽的线电压和输出电压范围保持恒定。PT4107输出功率超过60W,效率高达90%,适用于景观照明、街道照明和LED日光灯等领域。 


  另外,华润矽威还有升压型高亮度LED驱动芯片PT4108和升降压型LED驱动芯片PT4303,这两颗芯片分别由2颗AA干电池或一颗锂电池供电驱动一颗3W或1W高亮度LED。 
高亮度LED驱动技术的挑战 

  虽然LED驱动市场前景可观,但仍有一些技术挑战,目前面临主要的挑战有:第一,以大调光比高效率对LED调光,保证高、低亮度色度不变的同时,降低对系统的干扰和EMI;第二,配合系统设计,对LED温度进行有效的检测和控制,保证LED可靠的工作,体现其寿命长和使用成本的优势。 

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