摘 要:在簡要介紹超高亮LED的特點以及特性的基礎上,詳細介紹了LED的電阻限流、線性調節器和開關調節器等驅動方式,在此基礎上介紹了超高亮LED的驅動芯片MLX10801的功能和應用.并給出了當前主要超高亮LED驅動芯片的主要特點.

關鍵詞:發光二極管:超高亮:恒流驅動

引言
發光二極管(Light Emitting Diode,LED)發明于20世紀60年代,它是利用半導體材料中的電子和空穴相互結合并釋放出能量,使得能量帶(Energy Gat,)位階改變,以發光顯示其所釋放出的能量.LED具有體積小、壽命長、驅動電壓低、耗電量低、反應速率快、耐震性佳等優點,被廣泛應用于信號指示、數碼顯示等領域.隨著技術的不斷進步,超高亮LED的研制得到了成功,尤其是白光LED的研制成功,使得它越來越多地用在彩燈裝飾、甚至照明領域.

1、超高亮LED的特點
與傳統的照明燈相比,超高亮LED具有如下優點:
1)壽命長,可靠耐用,維護費用極為低廉LED可連續使用105h,比普通白熾燈泡長100倍;
2)高效率現在已經可以達到201m/w．預計到2005年將達到501m/W[1],LED)的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,其發光效率可達80%~90%,LED比節能燈還要節能1/4;
3)色彩鮮艷,光色單純 以12英寸的紅色交通信號燈為例,它采用低光效的140W白熾燈作為光源,所產生的2000lm的白光經紅色濾光片后,光損失90%,只剩下2001m的紅光,而在Lumileds Lighting公司采用18個紅色LED光源設計的燈中,包括電路損失在內,僅耗電14W,即可產生同樣的光效;
4)點亮速度快 汽車信號燈是LED光源應用的一個重要領域,由于LED響應速度快(ns級),在汽車上安裝高位LED剎車燈,可以減少汽車追尾事故的發生.
盡管超高亮LED具有許多優點,但目前仍存在下述缺點:

1)功率低市面上的單體LED功率一般在5W以下,還沒有出現更大功率的LED,這是目前LED難以成為照明首選的最大瓶頸;
2)需要嚴格控制溫度 LED是一種半導體材料,與普通二極管一樣具有PN結,由于高亮二極管的功率相對比較大,所以與功率半導體器件相同,需要考慮散熱問題,結溫過高會直接影響LED的壽命,并且會增大LED的光衰,情況嚴重的會將LED燒壞;
3)價格高除了功率低,價格是LED難以成為照明的主要因素,雖然LED目前已被大多數人認識,也被多數人看好,但其高昂的價格難以被消費者接受.
2、超高亮LED的特性
HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一種超高亮LED,本文以它為例分析超高亮LED的特性.圖1為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線,由曲線可知,當正向電壓超過某個閾值(約2V),即通常所說的導通電壓之后,可近似認為,IF與VF成正比.表1是當前主要超高亮LED的電氣特性.由表1可知,當前超高亮LED的最高IF可達1A,而VF通常為3~4V.

由于LED的光特性通常都描述為電流的函數,而不是電壓的函數,光通量(φV)與IF的關系曲線如圖2所示,因此,采用恒流源驅動可以更好地控制亮度.此外,由表1可知LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上),而由圖1中的VF-IF曲線可知,VF的微小變化會引起較大的,IF變化,從而引起亮度的較大變化.所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性,并且影響LED的可靠性、壽命和光衰.因此,超高亮LED通常采用恒流源驅動.

HPWA-xH00 LED的溫度與光通量(φV)關系曲線,由圖3可知光通量與溫度成反比,85℃時的光通量是25℃時的一半,而一40℃時光輸出是25℃時的1．8倍.溫度的變化對LFD的波長也有一定的影響,因此,良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證.

3 超高亮LED的驅動電路
由于受到LED功率水平的限制,通常需同時驅動多個LED以滿足亮度需求,因此,需要專門的驅動電路來點亮LED.下面簡要介紹LED驅動的主要電路.

3．1 阻限流電路
電阻限流驅動電路是最簡單的驅動電路,限流電阻按式(1)計算.

3．3開關調節器
上述驅動技術不但受輸入電壓范圍的限制,而且效率低.在用于低功率的普通LED驅動時,由于電流只有幾個mA,因此損耗不明顯,當用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅動時,功率電路的損耗就成了比較嚴重的問題.開關電源是目前能量變換中效率最高的,可以達到90%以上.Buek、Boost和Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅動,只是為了滿足LED的恒流驅動,采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進行反饋控制.

圖6(a)為采用Buck變換器的LED驅動電路,與傳統的Buek變換器不同,開關管S移到電感L的后面,使得S源極接地,從而方便了S的驅動,LED與L串聯,而續流二極管D與該串聯電路反并聯,該驅動電路不但簡單而且不需要輸出濾波電容,降低了成本.但是,Buck變換器是降壓變換器,不適用于輸入電壓低或者多個LED串聯的場合.

圖6(b)為采用Boost變換器的LED驅動電路,通過電感儲能將輸出電壓泵至比輸入電壓更高的期望值,實現在低輸入電壓下對LED的驅動.

圖6(c)為采用Buck—Boost變換器的LED驅動電路.與Buek電路相似,該電路S的源極可以直接接地,從而方便了S的驅動.Boost和 Buck-Boosl變換器雖然比Buck變換器多一個電容,但是,它們都可以提升輸出電壓的絕對值,因此,在輸入電壓低,并且需要驅動多個LED時應用較多.
4 超高亮LED的驅動控制芯片介紹
根據高亮LED大功率恒流驅動的特點,很多公司都推出了高亮LED的專用驅動控制芯片,例如:Melexis、lnfinton(英飛凌)、Lienear Technology(凌特)、Supenex Inc、Analog.Devices(ADI)等.

4．1 MLxl0801芯片介紹
MLXl0801是Melexi8公刊的一款針對汽車應用的LED驅動芯片,該芯片還可以用于繼電器等線圈的驅動,以及用作電子熔斷器.MLx10801芯片的原理框圖如圖7所示,它集成了功率MOSFET,最大驅動電流為350mA.用作LED驅動時,它具有如下特點:
—外邵應用電路簡單;
—內部/外部溫度檢測保護;
—高效率的開關電源驅動;

—可以通過PWM輸入控制亮度;
—LED的參數可以調節并可以存儲到片內NV存儲器中.
MLX10801雖然僅有8個管腳,但功能強大,表2為MLXl0801的管腳功能介紹.

圖8為MlJXl0801的典型應用電路,LED、L、D2、Rsense和MLXl0801內集成的MOSFET組成一個典型的Buck型LED驅動電路.圖8中的LED可以根據亮度需要采用多個LEI)串聯.MLXl0801通過檢測Rsense上的電壓來檢測通過LED的峰值電流,將該電流值與設定的基準值比較,通過控制腳DRV0UT的脈寬,來控制LED電流的大小.CONTR可以用作外部的開/關控制,或者輸入PWM信號來控制LED閃爍.當不需要控制時,可以將該管腳通過電阻R與腳VS相連.DSENSE用于連接外部的熱敏電阻檢測LED溫度,保護IED.雖然MLXl0801芯片內部具有內置熱敏電阻,但是,為了保證芯片與LED相距較遠時仍能夠正確檢測到溫度,MIX10801仍然設置了腳DSENSE來實現遠距離溫度的檢測.腳CALIB用來與控制器通訊,用于接受控制器設定LED的電流、允許最高溫度、采用內部溫度檢測還是外部溫度檢測、是否防抖、軟啟動時間等參數.

4.2 大功率LED驅動芯片的比較
表3所列為當前主要大功率IED驅動控制芯片性能比較,在應用大功率IED驅動控制芯片時,可以依據不同的應用場合進行選擇:
1)當需要較高功率時可選擇功率器件沒有集成在芯片內的控制器,這樣就可以按照實際的功率需求單獨選擇功率器件;
2)當需要較高的變換效率時,如便攜式設備等,可選擇開關電源類的驅動電路;
3)當應用于可靠性高的設備中,可選擇具有溫度保護、故障報警等控制功能全面的芯片.

5 結語
隨著技術的進步,超高亮LED的功率會進一步提高,成本也會降低,高效節能的超高亮LED必將廣泛應用于照明領域.而低成本,高可靠性的驅動電路,是保證LED具有持久亮度的關鍵.