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06-18
本文首先介绍了特殊照明的应用环境，然后详细阐述了利用DC/DC稳压器实现恒压转恒流设计的基本原理和实际案例，并讲解了大功率LED驱动器设计和散热设计应注意的事项。
最后指出了高功率LED新应用对驱动器设计提出的新要求，并为美国国家半导体完整的解决方案提供了指导，对从事LED照明行业的人士有所帮助。
我们的电子设计工程师全面掌握最新的LED驱动系统设计技术。
大功率LED虽然还不能大规模取代传统白炽灯，但在室内外装饰和特种照明中的应用日益广泛。
因此，掌握大功率LED恒流驱动器的设计技术对于开拓大功率LED的新应用至关重要。
LED按功率和发光亮度可分为大功率LED、高亮度LED和普通LED。
一般来说，大功率LED的功率至少为1W。
目前比较常见的有1W、3W、5W、8W和10W。
恒流驱动和提高LED的光效率是LED应用设计中的两个关键问题。
本文首先介绍大功率LED的应用以及恒流驱动方案的选型指南，然后以美国国家半导体（NS）的产品为例，重点介绍如何巧妙地利用LED恒流的采样电阻电流驱动电路，以提高大功率LED的效率，并考虑大功率LED的驱动设计和散热设计。
驱动芯片的选择 LED驱动器只占LED照明系统成本的一小部分，但却关系到整个系统性能的可靠性。
目前，美国国家半导体的LED驱动解决方案主要定位于中高端LED照明及照明市场。
照明分为室内和室外两种。
由于室内LED灯使用的电源环境包括AC/DC和DC/DC转换器，因此驱动芯片的选择也必须考虑这两方面。
图1：利用DC/DC稳压器的FB反馈端实现恒压驱动（左图）到恒流驱动（右图）的转换。
1。
AC/DC转换器 AC/DC分为V AC输入和12V AC输入。
12V AC是酒店广泛使用的卤素灯的电源。
可以在保留现有 AC 12V 的同时设计现有 LED。
对于替代卤素灯的设计，美国国家半导体LM的主要优点是体积小，可靠性高，输出电流高达1A，正好适合卤素灯口的小直径。
取代卤素灯后，LED灯一般做成1W或3W。
LED灯相对于卤素灯有两大优点：（1）光源相对集中，1W照明获得的亮度相当于十几瓦卤素灯的亮度，因此比较省电； (2)LED灯的寿命比卤素灯长。
长的。
LED灯的主要弱点是发光角度太窄，成本相对较高。
但从长远来看，LED灯由于寿命长，仍然具有非常大的成本优势。
V AC/DC转换器（如LM）主要针对舞台照明和街道照明市场。
图2：在FB反馈端子和RFB之间放置一个运放以降低功耗。
2。
DC/DC转换器 目前LED手电筒占据了DC/DC转换器的大部分需求。
手电筒使用的LED功率基本都是1W，供电方式有锂电池、镍锌电池、碱性电池等。
3W手电筒的应用一直存在一些困难，因为3W LED灯本身需要散热，散热装置较大，在一定程度上削弱了LED灯体积小的优势。
另外，由于3W LED灯的电流高达mA，单次充电后的电池寿命会缩短。
尽管如此，美国国家半导体还是为上述应用提供了 LM、LMA 和 LM 解决方案。
矿灯也是LED灯具的主要应用领域之一。
属于特殊照明行业，需要专业的认证标准。
我国一直非常重视LED在矿灯领域的应用。
目前LED设计行业存在对特殊行业需求了解不够的问题，设计中往往采用一些不切实际、新颖的设计方案。
例如，将LED灯和电池嵌入头盔中，就没有考虑到矿灯特殊使用环境的各种需求。
这可能是LED在矿灯市场的应用尚未起飞的重要原因。
针对矿灯LED应用，美国国家半导体提供丰富的DC/DC稳压器产品，包括LM、LM和LM。
用户使用了一盏1W的LED灯，在其周围放置了6颗普通高亮度LED灯，组成了具有特殊闪烁功能的矿灯。
总而言之，LED灯在照明和特殊照明行业具有广阔的发展前景，美国国家半导体为此提供了完整的新型LED驱动器解决方案。
图3：基于LM的恒流驱动电路。
高效恒流驱动电路 恒压电源的基本电路（图1左）采用反馈电阻RFB1和RFB2。
当负载电流变化时，VFB也随之变化，DC/DC稳压器通过感测VFB的变化来维持输出电压在固定水平： V0=(VFB*(RFB1+RFB2))/RFB1 ( 1） 图1右侧电路中，器件的DC/DC稳压FB为高阻输入端。
流过 LED 的电流 IF 为： IF=VFB/RFB (2) 为了保持 IF 恒定，DC/DC 稳压器感测 VFB，然后调整 LED 正端电压，以保持流过 LED 的电流。
LED 恒定。
这就是利用DC/DC稳压器的FB反馈端实现恒压到恒流转换的原理。
一般来说，DC/DC 稳压器对 VFB 变化有一个可感知的范围。
LED选定后，其工作电流IF的大小也就确定了。
所选电阻必须保证VFB落在DC/直流稳压器的允许范围内。
以VFB等于1.25V为例，假设IF分别为15mA、mA、mA，则采样电阻的功耗将分别小于20mW、mW、mW。
对于1W LED，采样电阻的功耗分别占总功耗的2%、40%和80%。
因此，采样电阻的设计对于提高LED的效率至关重要，且应选择尽可能小的。
图4：直接从采样电阻获取反馈电压的设计。
由于直接将 RFB 连接到 FB 端会导致 RFB 功耗过大，因此在 FB 端和 RFB 之间放置一个运算放大器，用于放大 RFB 采集到的电压 VTAP（图 2）。
IF=VTAP/RFB=(VFB/RFB)*(1+RF/RI) (3) 通常1W大功率LED的典型工作电流为mA。
如果选择 RFB 等于 1 欧姆，则 RFB 的功耗为 %。
这样可以保证LED接受恒流供电，同时将RFB的功耗降低到可接受的水平，从而使LED两端的电压尽可能大，流过其的电流也尽可能大。
美国国家半导体按照这一原理工作的稳压器包括 LM 和 LM。
LM是1A降压稳压器。
基于LM的恒流驱动电路（图3）利用LM运算放大器获取采样电阻Rset上的电压，并与其他电阻和电容组合可以组成完整的、高效率的大功率LED恒流驱动电路。
在实际使用中，有些LED恒流驱动电路可以直接从采样电阻获取反馈电压，如图4所示。
图3中的采样电阻Rset决定了恒流驱动电路的设计，对整个系统的效率有重要影响。
因此，精心设计Rset对于节能至关重要。
图 3 和图 4 的详细设计文件可从当地授权的 National Semiconductor 经销商处获取。
一般来说，如果要求LED驱动电流变化不超过标称值的5%~10%，那么使用精度为2%的电阻就足够了。
LED驱动电流的典型波动范围为正负10%。
由于采样电阻消耗的功率较大，应避免使用功率较小的贴片电阻。
此外，LM解决方案适用于多个大功率LED的恒流驱动，而基于LM的恒流驱动设计方案则针对V AC/DC转换器应用。
恒流驱动和散热的考虑 就电子系统设计而言，工程师在设计LED恒流驱动电路时首先要了解LED的恒流参数。
目前生产LED芯片的厂家有很多。
国内外LED的主要区别在于相同电参数下流明数可能不同。
因此，设计工程师必须清楚地认识到LED功率并不是决定发光效率的唯一参数。
例如，同样1W的LED，有的LED可以达到40流明的亮度，而有的只能达到20流明的亮度。
这是因为LED的光学效率还取决于材料和制造工艺等许多方面。
有的设计工程师采用加大驱动电流的方法来提高发光效率。
例如，对于同样1W的LED，增加驱动电流后，亮度可以从20流明提高到40流明，但LED的工作温度也是相应的。
升高。
一旦温度超过LED的温度极限点，就会影响LED的寿命和可靠性。
这是设计恒流驱动器时需要注意的重要问题。
此外，LED照明系统的光学效率不仅取决于LED恒流驱动方案，还与整个系统的散热设计密切相关。
一些LED恒流驱动系统为了减小尺寸，将LED驱动电路和散热部分设计得靠近，这样很容易影响可靠性。
一般来说，LED照明系统的热源基本上是LED灯具本身的热源。
如果热源过于集中，就会产生热损失，因此LED驱动电路不能与散热系统紧密结合。
建议采取以下散热措施： LED灯采用铝基板散热；功率器件排列均匀；尽量避免将LED驱动电路和散热部件设计得彼此靠近；抑制封装对印刷电路基板的热阻；提高LED芯片散热的顺畅性，降低热阻。
表1：大功率LED在寿命方面具有很大优势。
新应用的驱动器要求 高功率LED被称为“绿色光源”，它将提供高LED电流（mA至1.4A）、高效率（60至流明/瓦）和可调亮度。
方向发展。
由于大功率LED在寿命方面具有很大优势（表1），因此其发展前景非常广阔。
其中，最有前景的照明应用是汽车、医疗设备、仪器仪表等特殊照明环境。
不过，这些应用也对LED驱动系统设计提出了新的要求，包括：输入电压范围一般要求为6V至24V；具有冲击负载保护、逆相、过压保护；待机功耗极低；低带隙基准源可减少电流检测损耗并具有 PWM 调节亮度等功能。
针对这些需求，美国国家半导体提供了全系列的 LED 驱动器设计解决方案（参见表 2），可提供为用户提供全面的 LED 驱动器解决方案。
LED照明系统需要恒流电源。
目前主流的恒流驱动设计方案是采用线性或开关DC/DC稳压器结合特定的反馈电路为LED提供恒流电源。
根据DC/DC稳压器外围电路设计的差异，可分为电感式LED驱动器和开关电容式LED驱动器。
电感升压驱动方案的优点是驱动电流更高，LED端电压更低，功耗更低，效率不变。
它特别适合驱动多个 LED 的应用。
在大功率LED驱动器的设计中，主要采用开关电容LED驱动方案。
优点是LED两端的电压较高，流过LED的电流较大，从而实现较高的光效和光效率。
先进的开关电容技术还可以提高效率，因此广泛应用于大功率LED驱动器。
表 2：美国国家半导体 LED 驱动器解决方案列表。
本文总结 大功率LED照明技术具有广阔的发展前景，因此受到了广泛的关注，受到投资者的追捧。
现阶段，由于LED芯片设计、制造技术和材料等诸多因素的限制，暂时还不能完全取代传统白炽灯。
因此，人们越来越关注大功率LED在特种照明中的应用。
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