LED驱动技术方案优化

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：消费电子产品的LED驱动器拥有比较成熟的技术、产品和相对成熟的市场，例如手机、MP3、MP4等电子产品。目前，能耐60V高压的LED驱动器新品已推出。业界对在汽车业直接采用LED的仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯的市场十分看好和乐观。按驱动方式分类1）恒流式LED驱动器。④ 恒流驱动器的最大承受电流及电压值限制了LED的使用数量。常用LED恒流驱动器的接线方法如图3-6所示。2）稳压式LED驱动器。

1.LED驱动器的类型

（1）按应用分类

LED驱动器按应用来分基本上有三大类：一类用于消费电子产品，其应用特点是以电池为能源，工作电压一般为4.2～8.4V，多为低电压和小电流的LED驱动器；另一类用于汽车照明产品，因其电源来自汽车蓄电池（一般是48V），所以需要较高电压降压的LED驱动器；第三类用于建筑装饰照明和家庭照明，需要将交流电直接变换成直流电，主要功能是将交流电压转换为恒流源，并同时完成与LED电压和电流的匹配。

消费电子产品的LED驱动器拥有比较成熟的技术、产品和相对成熟的市场，例如手机、MP3、MP4等电子产品。

汽车照明产品使用的LED数量较多，大多是串并联驱动，需要较高的电压，这对于取自汽车蓄电池的电源来说是十分方便的。目前，能耐60V高压的LED驱动器新品已推出。业界对在汽车业直接采用LED的仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯的市场十分看好和乐观。

建筑装饰照明和家庭照明则需要将交流电能直接变换成直流恒流源的LED驱动器，目前还不能提供单个的集成电路产品，大多数是模块电路。建筑装饰照明在国内各大城市中的应用已十分广泛，节能效果显著。家庭用LED照明灯的需求量将是一个天文数字，但目前的家庭用LED照明灯技术和生产成本与大批量生产还有一定的距离，尚需努力。

（2）按驱动方式分类

1）恒流式LED驱动器。恒流式驱动器可分为直流输入—直流输出（DC/DC）和交流输入—直流输出（AC/DC）两种。按照输入、输出电压的关系，DC/DC恒流驱动器的分类如图3-5所示。

图3-5 DC/DC恒流驱动器的分类

AC/AC恒流驱动器可分为非隔离型和隔离型两大类，见表3-1。

表3-1 AC/AC恒流驱动器的分类

两种LED恒流驱动器的性能比较见表3-2。

表3-2 两种LED恒流驱动器的性能比较

恒流驱动器具有以下特性：

① 恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化。负载阻值小，输出电压就低；负载阻值大，输出电压就高。

② 恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。

③ 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。

④ 恒流驱动器的最大承受电流及电压值限制了LED的使用数量。

恒流驱动器适用于以下电路：

① 太阳能LED灯具：12V、24V。

② 汽车LED车灯：12V、24V、48V。

③ 电动自行车LED车灯：12V、24V、36V。

④ 采用一组公用AC/DC恒压开关电源供电给几组恒流源的LED灯具。

常用LED恒流驱动器的接线方法如图3-6所示。

2）稳压式LED驱动器。DC/DC开关稳压器是用电感器来储存电能的，而电感器容易对射频（RF）产生新的干扰，因此在手机产品中用得较少。电荷泵也是一种开关稳压器，但它是用电容器进行储能，因而不会发射开关频率干扰，在手机产品中占了最大的份额。LDO（低压差稳压器）的输出电压稳定，当负载不变时，流过负载的电流也恒定，因此LDO是一个很好的LED稳压驱动器。稳压式驱动器具有以下特性：

① 当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化。

② 稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。

③ 以稳压式驱动电路驱动LED，需要加上合适的电阻才能使每串LED的发光亮度均匀。

④ 亮度会受整流电压变化的影响。

⑤ 稳压型开关电源技术成熟，价格低廉。可以采用一个大功率多路输出稳压源驱动几个直流恒流源；直流稳压/恒流源放在LED灯头内，与LED组合成模块；交流开关电源可以和灯光控制器放在一起。

图3-6 常用LED恒流驱动器的接线方法

（3）按电路结构分类

可分为电阻电容降压方式、电阻降压方式、常规变压器降压方式、电子变压器降压方式、RCC降压方式和PWM控制方式。

1）电阻电容降压方式。通过电容降压，在使用时由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。另外，易受电网电压波动的影响，电源效率低，可靠性低。

2）电阻降压方式。通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源，降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式的效率很低，而且系统的可靠性也较低。

3）常规变压器降压方式。电源体积小，重量偏重，电源效率也很低（一般只有45%～60%），可靠性也不高，所以一般很少采用。

4）电子变压器降压方式。电源效率较低，电压范围也不宽（一般为180～240V），波纹干扰大。

5）RCC降压方式。自振反激型变换器（Ring Choke Converter，RCC）由于电路拓扑简单，输出与输入电气隔离且不需要输出滤波电感，能高效地提供多组直流输出，电压升降范围宽等特点而广泛应用于中小功率变换场合，也是容量低于50W的电源经常使用的变换器。RCC采用一种和PWM型变换器相对的驱动方式，开关的导通和关断不需要专门的触发电路，完全由电路内部完成。

这种变换器有它独特的优势，即稳压范围比较宽，电源效率比较高（一般可以达到70%～80%），具有较高的性价比，但这种控制方式的振荡频率不连续，开关频率不容易控制，负载电压波纹系数比较大，对异常负载的适应性差。

6）PWM控制方式。脉冲宽度调制（PWM）是利用微处理器的数字信号输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM电路主要由4部分组成：输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分和开关能量转换部分。PWM开关稳压的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，可使得开关电源的输出电压或电流稳定（即相应稳压电源或恒流电源）。电源效率极高，一般可以达到80%～90%，输出电压、电流稳定。一般这种电路都有完善的保护措施，属于高可靠性电源。

2.电荷泵驱动器与电感式驱动器的比较

所有专为驱动白光LED而设计的IC都提供恒定电流，其中绝大多数是基于电感和电荷泵的解决方案，这两种解决方案各有优缺点。

（1）电荷泵驱动器

电荷泵也称为无电感式DC/DC转换器，它是利用电容作为储能元件的特殊类型的开关DC/DC变换器。电荷泵解决方案利用分离电容器将电源从输入端传送至输出端，整个过程不需使用任何电感，所以是受欢迎的解决方案。电荷泵电源的体积很小，设计也很简单，选择组件时通常只需根据组件规格从中挑选适当的电容器。

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来储存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容器（1mF），占用空间小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容器即可提供±2倍的输出电压，其损耗主要来自电容器的ESR（等效串联电阻）和内部开关晶体管的RDS（ON）。

电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是在工厂生产时精密预置的，调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：

① 转换效率要高。无调整电容式电荷泵的转换效率为90%，可调整电容式电荷泵为85%，开关式调整器为83%。

② 静态电流要小，可以更省电；输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；噪声要小，对整体电路无干扰；功能集成度要高，提高单位面积的使用效率。

③ 具有足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫。

④ 安装成本低，包括周边电路占PCB面积小，走线少而简单。

⑤ 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为零。

电荷泵解决方案的主要缺点是：只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的转换比率最多只能达到输入电压的2倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的2倍，因此，若想利用电荷泵驱动一个以上的白光LED，就必须采用并联驱动的方式。利用只能对输出电压进行稳压的电荷泵驱动多个白光LED时，必须使用镇流电阻来防止电流分配不平均，但这些电阻会缩短电池的使用时间。

最简单也是最常用的电荷泵结构之一是倍压电荷泵。倍压电荷泵结构包括4个开关、一个用于存储和转移能量的外部电容器（常称为快速电容）以及一个外部输出电容器（常称为储能电容）。图3-7为倍压电荷泵的结构图，这种倍压电荷泵的工作由充电（能量储存）和放电（能量转移）两个阶段组成。对于需要稳压电源的应用，只需要在图3-7所示电路的基础上增加一个反馈回路就可解决这一问题。具有稳定输出的倍压电荷泵通常称为稳压式电荷泵。

图3-7 非稳压式倍压电荷泵的结构图

专为驱动白光LED而设计的新型电荷泵器件已开始将电流共享电路直接加入元件中，例如TPS60230电荷泵解决方案能产生电压并提供给多个并联的LED阳极，每个白光LED的阴极则会直接连线到器件的不同引脚，器件内部电路会提供稳流功能，使得每个白光LED的电流相差不到0.3%，而且不需要外接电阻。绝大多数以电荷泵为基础的解决方案都能让转换效率达到60%～85%的可接受水准，更先进的电荷泵器件还提供分数转换模式，它能在输入电压改变时自动切换到最有效率的转换模式。

（2）电感式驱动器

电感式DC/DC变换器的工作方式绝大多数都是周期性的，其周期T由时钟频率控制。它的工作也包括两个阶段：开关导通（闭合）和开关关断（打开）。开关导通时间t_ON由反馈回路控制，由输出电压V_OUT与预设电压之间的偏差值来决定，其时序转换如图3-8所示。

图3-8 固定频率连续模式的电感式DC/DC变换器工作时序

电感式解决方案的体积很小，效率很高，适合为绝大多数消费电子产品提供更长的电池使用时间。设计人员可以调整电感式变换器的效率，以便在体积和效率之间取得最佳平衡。大多数电感式解决方案都采用升压变换器，它们最多能驱动6个或7个串联的白光LED，这种做法有其优点，因为许多显示器件内建的白光LED都采用串联模式。就算没有将白光LED内建于显示器件的屏幕中，大多数工程师还是会将它们串联在一起。背光驱动器和白光LED通常会位于不同的电路板上，因此，必须将电源从一块电路板连接至另一块电路板。驱动5个并联的白光LED共需使用连接器的6个引脚，驱动串联在一起的5个白光LED只需要两个引脚。

LED驱动技术方案优化

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