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(guan) 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．並給出了當前主要超高亮LED驅動芯片的主要特點。

關(guan) 鍵詞：發光二極管：超高亮：恒流驅動

0 引言
    發光二極管(Light Emitting Diode，LED)發明於(yu) 20世紀60年代，它是利用半導體(ti) 材料中的電子和空穴相互結合並釋放出能量，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(ti) 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(you) 點，被廣泛應用於(yu) 信號指示、數碼顯示等領域。隨著技術的不斷進步，超高亮LED的研製得到了成功，尤其是白光LED的研製成功，使得它越來越多地用在彩燈裝飾、甚至照明領域。

l 超高亮LED的特點
    與(yu) 傳(chuan) 統的照明燈相比，超高亮LED具有如下優(you) 點：
    1)壽命長，可靠耐用，維護費用極為(wei) 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於(yu) 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) 色彩鮮豔，光色單純以12英寸的紅色交通信號燈為(wei) 例，它采用低光效的140W白熾燈作為(wei) 光源，所產(chan) 生的2000lm的白光經紅色濾光片後，光損失90％，隻剩下2001m的紅光，而在Lumileds Lighting公司采用18個(ge) 紅色LED光源設計的燈中，包括電路損失在內(nei) ，僅(jin) 耗電14W，即可產(chan) 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(ge) 重要領域，由於(yu) LED響應速度快(ns級)，在汽車上安裝高位LED刹車燈，可以減少汽車追尾事故的發生。

    近年來高亮LED已經在汽車的近光燈中得到了應用，例如德國奧迪公司的奧迪A86.O，意大利Fioravanti公司在2003年日內(nei) 瓦車展上推出的概念車Yak，美國福特公司不久前在底特律車展上推出的Model U都開始將高亮LED用於(yu) 前照燈的設計中。

    盡管超高亮LED具有許多優(you) 點，但目前仍存在下述缺點：
    1)功率低市麵上的單體(ti) 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(wei) 照明首選的最大瓶頸；
    2)需要嚴(yan) 格控製溫度 LED是一種半導體(ti) 材料，與(yu) 普通二極管一樣具有PN結，由於(yu) 高亮二極管的功率相對比較大，所以與(yu) 功率半導體(ti) 器件相同，需要考慮散熱問題，結溫過高會(hui) 直接影響LED的壽命，並且會(hui) 增大LED的光衰，情況嚴(yan) 重的會(hui) 將LED燒壞；
    3) 價(jia) 格高除了功率低，價(jia) 格是LED難以成為(wei) 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(jia) 格難以被消費者接受，目前單體(ti) 黃色LED大約O．6元／個(ge) ，綠色與(yu) 藍色單體(ti) LED在1．8元／個(ge) 左右，白色LED的價(jia) 格達到了2.2～5.5元／個(ge) 左右；如果將幾十個(ge) 單體(ti) LED組合，其成本將大大增加,如把一個(ge) LED安裝在草坪燈裏，其單價(jia) 就相當於(yu) 一般草坪燈的幾倍，LED要成為(wei) 未來照明的主流光源，就一定要朝著大流明方向發展，成本才有可能降低，市場才有可能突破。

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(wei) 例分析超高亮LED的特性。圖1為(wei) 正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關(guan) 係曲線，由曲線可知，當正向電壓超過某個(ge) 閾值(約2V)，即通常所說的導通電壓之後，可近似認為(wei) ，IF與(yu) 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(wei) 3～4V。
 

    由於(yu) LED的光特性通常都描述為(wei) 電流的函數，而不是電壓的函數，光通量(φV)與(yu) IF的關(guan) 係曲線如圖2所示，因此，采用恒流源驅動可以更好地控製亮度。此外，由表1可知LED的正向壓降變化範圍比較大(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(hui) 引起較大的，IF 變化，從(cong) 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，並且影響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。
 

    圖3是HPWA-xH00 LED的溫度與(yu) 光通量(φV)關(guan) 係曲線，由圖3可知光通量與(yu) 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
    由於(yu) 受到LED功率水平的限製，通常需同時驅動多個(ge) LED以滿足亮度需求，因此，需要專(zhuan) 門的驅動電路來點亮LED。下麵簡要介紹LED驅動的主要電路。

3．1  電阻限流電路
 
    如圖4所示，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。

式中：Vin為(wei) 電路的輸入電壓：
      VF為(wei) IED的正向電流；
      VF為(wei) LED在正向電流為(wei) ，IF時的壓降；
      VD為(wei) 防反二極管的壓降(可選)；
      y為(wei) 每串LED的數目；
      x為(wei) 並聯LED的串數。
    由圖1可得LED的線性化數學模型為(wei)

   
式中：Vo為(wei) 單個(ge) LED的開通壓降；
      Rs為(wei) 單個(ge) LED的線性化等效串聯電阻。
    則式(1)限流電阻的計算可寫(xie) 為(wei)

     
    當電阻選定後，電阻限流電路的IF與(yu) VF的關(guan) 係為(wei)

     
    由式(4)可知電阻限流電路簡單，但是，在輸入電壓波動時，通過LED的電流也會(hui) 跟隨變化，因此調節性能差。另外，由於(yu) 電阻R的接人損失的功率為(wei) xRIF，因此效率低。

3．2線性調節器
    線性調節器的核心是利用工作於(yu) 線性區的功率三極管或MOSFFET作為(wei) 一動態可調電阻來控製負載。線性調節器有並聯型和串聯型兩(liang) 種。

     
圖5(a)所示為(wei) 並聯型線性調節器又稱為(wei) 分流調節器(圖中僅(jin) 畫出了一個(ge) LED，實際上負載可以是多個(ge) LED串聯，下同)，它與(yu) LED並聯，當輸入電壓增大或者LED)減少時，通過分流調節器的電流將會(hui) 增大，這將會(hui) 增大限流電阻上的壓降，以使通過LED的電流保持恒定。

    由於(yu) 分流調節器需要串聯一個(ge) 電阻，所以效率不高，並且在輸入電壓變化範圍比較寬的情況下很難做到恒定的調節。

    圖5(b)所示為(wei) 串聯型調節器，當輸入電壓增大時，調節動態電阻增大，以保持LED上的電壓(電流)恒定。

    由於(yu) 功率三極管或MOSFET管都有一個(ge) 飽和導通電壓，因此，輸入的最小電壓必須大於(yu) 該飽和電壓與(yu) 負載電壓之和，電路才能正確地工作。

3．3開關(guan) 調節器
     上述驅動技術不但受輸入電壓範圍的限製，而且效率低。在用於(yu) 低功率的普通LED驅動時，由於(yu) 電流隻有幾個(ge) 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(yan) 重的問題。開關(guan) 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於(yu) LED的驅動，隻是為(wei) 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製。
 

     圖6(a)為(wei) 采用Buck變換器的LED驅動電路，與(yu) 傳(chuan) 統的Buek變換器不同，開關(guan) 管S移到電感L的後麵，使得S源極接地，從(cong) 而方便了S的驅動，LED 與(yu) L串聯，而續流二極管D與(yu) 該串聯電路反並聯，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，不適用於(yu) 輸入電壓低或者多個(ge) LED串聯的場合。

    圖6(b)為(wei) 采用Boost變換器的LED驅動電路，通過電感儲(chu) 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(wei) 采用Buck—Boost變換器的LED驅動電路。與(yu) Buek電路相似，該電路S的源極可以直接接地，從(cong) 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(ge) 電容，但是，它們(men) 都可以提升輸出電壓的絕對值，因此，在輸入電壓低，並且需要驅動多個(ge) LED時應用較多。

4 超高亮LED的驅動控製芯片介紹
    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(zhuan) 用驅動控製芯片，例如：Melexis、lnfinton(英飛淩)、Lienear Technology(淩特)、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，該芯片還可以用於(yu) 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(wei) 350mA。用作LED驅動時，它具有如下特點：
    —外部應用電路簡單；
    —內(nei) 部／外部溫度檢測保護；
    —高效率的開關(guan) 電源驅動；
    —可以通過PWM輸入控製亮度；
    —LED的參數可以調節並可以存儲(chu) 到片內(nei) NV存儲(chu) 器中。
    MLX10801雖然僅(jin) 有8個(ge) 管腳，但功能強大，表2為(wei) MLXl0801的管腳功能介紹。
 
 
 

    圖8為(wei) MlJXl0801的典型應用電路，LED、L、D2、Rsense和MLXl0801內(nei) 集成的MOSFET組成一個(ge) 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(ge) 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(yu) 設定的基準值比較，通過控製腳DRV0UT的脈寬，來控製LED電流的大小。CONTR可以用作外部的開／關(guan) 控製，或者輸入PWM信號來控製 LED閃爍。當不需要控製時，可以將該管腳通過電阻R與(yu) 腳VS相連。DSENSE用於(yu) 連接外部的熱敏電阻檢測LED溫度，保護IED。雖然 MLXl0801芯片內(nei) 部具有內(nei) 置熱敏電阻，但是，為(wei) 了保證芯片與(yu) 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(yu) 控製器通訊，用於(yu) 接受控製器設定LED的電流、允許最高溫度、采用內(nei) 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(wei) 當前主要大功率IED驅動控製芯片性能比較，在應用大功率IED驅動控製芯片時，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(nei) 的控製器，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(guan) 電源類的驅動電路；
    3)當應用於(yu) 可靠性高的設備中，可選擇具有溫度保護、故障報警等控製功能全麵的芯片。

 
5 結語
    隨著技術的進步，超高亮LED的功率會(hui) 進一步提高，成本也會(hui) 降低，高效節能的超高亮LED必將廣泛應用於(yu) 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(guan) 鍵。