高亮度LED恒流驅動電路設計
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摘要：本文討論的簡單電路能夠調節高亮度LED的驅動電流，該電路采用非定制、高度集成的降壓型開關調節器(MAX5035)，能夠準確地控制流過LED的電流。MAX5035 DC/DC轉換器在7.5V至76V寬輸入電壓范圍內保持125kHz固定工作頻率，是汽車應用的理想之選。亮度控制可以通過模擬(線性調節)或低頻占空比(PWM調節)方式實現。
高亮度LED發展背景
近幾年，高亮度LED (HB LED)在各種照明系統中作為光源日益受到青睞，這是由于高亮度LED具有高度的可靠性，使用壽命可以達到幾十甚至幾萬小時，比傳統的白熾燈或鹵素燈的使用壽命高出幾個數量級。基于這一優勢，高亮度LED在汽車照明、公共標示與信號標志以及建筑照明中得到普遍應用。高亮度LED是經過特殊處理的PN結半導體器件，正向偏置時可發出白光、紅光、綠光或藍光(也可能產生其它顏色光)。作為PN結它們表現出類似于傳統二極管的V-I特性，但具有較高的結壓降。在正向電壓達到VF (從紅光LED的2.5V到藍光LED的4.5V)，流過LED的電流很小；一旦正向電壓達到VF，電流將迅速上升(與傳統二極管相同)。因此，必須采用限流措施限制電流的上升，以防LED損壞。目前有三種基本的限流方式，表1對這三種方式進行了對比：
表1. 限流方式比較
| 限流方式 | 優點 | 缺點 | 功耗1 |
| 電阻 | 2.8W | ||
| 有源線性控制 | 2.8W | ||
| 開關調節控制 | 0.8W |
1假設一個白色LED：VF = 4V、ILED = 350mA、VIN = 12V。
高亮度LED開關電源
圖1是基于固定頻率、高集成度PWM開關轉換器MAX5035的高亮度LED電源原理圖，輸出電流可達1A。另一類似器件MAX5033的輸出電流可以達到500mA。這款基于電感的buck調節器能夠準確控制流過LED (或幾個串聯LED，總電壓為12V)的電流。MAX5035的開關頻率為125kHz，輸入電壓范圍高達76V (需使用更高額定電壓的輸入電容和二極管)。此電路可以在較寬的輸入電壓范圍內控制并保持恒定的LED電流。表2總結了該電路的設計規格。
圖1. 通過調節控制電壓(0V至3.9V)，MAX5035 LED電流驅動器能夠在LED_A和LED_K端產生近似350mA至0mA的輸出電流。
表2. 圖1電路的基本參數
| 參數 | 值 |
| 最小輸入電壓(V) | 7.5 (大多數單LED) |
| 最大輸入電壓(V) | 30 (受D1和C8、C9限制) |
| 最大輸出電流(mA) | 350 (VCONTROL= 0V) |
| 最大輸出電壓(V) | 12 (由MAX5035內部限制，輸出電流350mA) |
| 控制電壓范圍(VCONTROL) (V) | 0 (滿電流)至3.9 (全部調暗) |
利用圖1電路在控制端作用一個電壓調節LED電流(圖2)。圖3給出了這一控制架構的效率。
圖2. 圖1電路中LED電流隨控制電壓的變化關系曲線，電流測量值通過連接在LED_A端和LED_K端的電流表得到。
圖3. 圖1電路在驅動一只、兩只或三只綠色350mA串聯LED時，調節器效率與LED電流的關系曲線。
控制電壓與三個并聯檢流電阻的電壓共同作用到IC的反饋(FB)引腳。IC的內部控制環路使FB引腳的電壓保持在大約1.22V，因此，由于控制電壓與電流檢測電壓都必須保持在1.22V (由電阻R1和R5設置)，更高的控制電壓將產生更小的電流。
以下等式除了適用于本例外，還可用來設計其它的輸出電流和控制電壓：
其中：VREF = 1.22V、RSENSE是R2、R3與R4的并聯電阻值(= 5Ω)。
在許多情況下，利用低頻(50Hz至200Hz) PWM方式調節LED電流非常方便，通過控制脈沖寬度調節亮度(圖4)。雖然LED在每個脈沖期間保持相同亮度，肉眼能夠察覺到短暫的亮度變化，但是，這種調節方法的優點在于光譜保持不變，采用幅度調節時光譜會隨著流過LED電流的變化而改變。
圖4. 圖1電路低頻PWM亮度調節的控制和LED電流波形。Ch1：VCONTROL，Ch3：ILED。負載為三個串聯綠色LED，總電壓近似為9.5V。替換小的輸出電容，可以減小關斷時的振蕩幅度。
采用100Hz、0V至約3.9V的方波控制波形時，LED電流的脈沖如圖4所示。一般來說，低頻PWM調光電路的效率比線性LED調光電路(圖2)更高。
圖5. 圖1所示電路的PCB布局圖
結論
圖1所示IC (MAX5035、MAX5033)為恒流驅動高亮度LED提供了一種高性價比方案，該方案具有以下優勢：- 高開關頻率(125kHz)允許選擇小電抗器件(L1和C2)。
- 能夠在寬輸入電壓范圍內實現高轉換效率。
- 輸出電壓可達12V，能夠驅動三個串聯的高亮度綠色LED。
- 無需機械散熱器。
- 電壓范圍可擴展至76V，適用于驅動汽車高亮度LED。
- 可用于24V信號標志燈和建筑照明。
- 通過變化電流檢測電阻R2、R3與R4值，輸出電流可達到1A。
- 內置開關功率MOSFET，簡化設計。
- 可通過控制輸入引腳，利用模擬電壓幅度(線性調光)調節LED的亮度。
- 通過控制輸入，利用低頻PWM信號調節亮度。
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