LED灯具低压驱动技术

摘要：本文从技术和市场经济的角度对LED灯具低压驱动IC的技术要求进行分析，简述家庭照明用LED驱动IC的工作原理和应用技术。

关键词：LED驱动IC；LED灯具

LED灯具在近期得到飞跃式发展，其作为绿色环保的清洁光源也得到广泛的认可。这类灯具使用寿命长、节能省电、应用简单方便、成本低，因而在包括LED手电筒、LED矿灯及便携照明；在建筑照明、装饰照明、标识牌照明；在汽车的仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯；以及在家庭照明中都会得到大量应用。欧司朗光学半导体公司2008年调查统计，全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。

LED灯具的技术日趋成熟，每瓦发光流明在迅速增长，这促使其逐年降价。以1W LED光源为例，2008年第一季度的价格已是2006年第一季度的1/3，预计2009年第一季度将降至2006年的1/4。

LED灯具的广阔市场和数年持续稳定增长的需求将是集成电路行业继VCD、DVD、手机、MP3之后在消费电子市场掀起的超级海啸!

同时，LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得了普遍的认可。

高节能：节能无污染即为环保。LED灯具采用直流驱动，实现超低功耗(单管0.03W-1W)，电光功率转换接近100％，取得相同照明效果比传统光源节能80％以上。

长寿命：LED光源被称为长寿灯。采用固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达5万～10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

利环保：LED是一种绿色光源，环保效益更佳。在光谱中没有紫外线和红外线，热量低且无频闪、无辐射，而且其废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，由于是冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

照明用LED灯具的VF电压都很低，一般VF为2.75～3.8V，IF为15mA～1400mA；因此LED驱动IC的输出电压是VF×N或VF×1，IF恒流为15mA～1400mA。LED灯具使用的LED光源有小功率(IF为15mA～20mA)和大功率(IF＞200mA))二种，小功率LED多用来做LED日光灯、装饰灯、格栅灯；大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等。功率LED灯具是低电压、大电流驱动的器件，其发光强度由流过LED的电流大小决定，电流过强会引起LED光的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。在LED照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择好LED驱动IC至关重要，没有好的驱动IC的匹配，LED照明的优势就无法体现。

LED工作要素

LED工作的主要参数是VF和IF，其它相关参数包括颜色、色温、波长、亮度、发光角度、效率以及功耗等。LED是一个P-N结二极管，只有施加足够的正向电压才能传导电流。VF正向电压为LED发光建立一个正常的工作状态，IF正向电流使LED发光，发光亮度与流，过的电流成正比。VF标称电压为304V±0.2V。IF工作电流按应用需要选用，如表1所示，各档不能混用。

大功率照明用LED

大功率照明用LED从成品来看是单颗芯片封装的，其实是用N颗LED管芯封装在一个单位里。它们的排列组合是串并联，是N个串联，再N个并联，然后由二点连接电源，如图1所示。选用时要特别注意它的VF和IF。

L　ED灯具驱动原理

LED灯具驱动需要先将高压的交流电变换成低压的交流电(AC/AC)，然后将低压的交流电经桥式整流变换成低压的直流电(AC/DC)，再通过高效率的DC/DC开关稳压器降压并变换成恒流源，输出恒定的电流以驱动LED光源。LED光源是按灯具的设计要求由小功率或大功率LED多串多并组成的。每串的IF电流按选用的LED光源的IF要求设计，总的正向电压AVF是N颗LED的总和。LED灯具驱动原理如图2所示。

LED灯具选用36V以下的交流电源时可以考虑非隔离供电，如果选用220V和100V的交流电源应考虑隔离供电。

LED灯具的低压驱动

目前MR11、MR16射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等LED灯具大多选用散热较好的自带铜基或铝基板的1W或3W大功率LED光源，使用AC/DC12V～36V电源，因而需要使用DC/DC的降压(Buck)+恒流给LED提供VF和IF。LED灯具大多使用低压电源，因此在这类灯具的电路设计上，LED的串联个数为1～9颗，尤以1～3颗最为常见。串联的总AVF应低于电源Vin。如3颗LED串联，AVF=3.4V×3=10.2V。在Vin＞12V时，能正常工作。MR11、MR16射灯常见的是1W×3串联或3W×1；水底灯常见的是1W×3串联2～3串并联，三个一组；洗墙灯常见的是1W×7～9串联；路灯常见的是1w×9串联3串并联，4～6个一组；汽车工作灯常见的是1w×3～6串联3串并联。当然LED的串并联方案是多种多样的，串联个数与其工作电压(Vin)有关，这里仅针对Dc12V～36V工作电压而言。目前1w的LED光源散热较好，因此应用较多。

LED灯具对低压驱动芯片的要求

驱动芯片的标称输入电压范围应为DC 8V～40V，以满足应用的需要，如果耐压大于45V更好；AC 12V或24V输入时简单的桥式整流器输出电压会随电网电压波动，特别是电压偏高时输出直流电压也会偏高，驱动IC如不能适应宽电压范围，往往在电网电压升高时会被击穿，LED光源也会因此烧毁。

驱动芯片的标称输出电流要求大于1.2A～1.5A，作为照明用LED光源，1W功率的LED光源其 标称工作电流为350mA，3w功率的LED光源其标称工作电流为700mA，功率大的需要更大的电流，因此LED照明灯具选用的驱动IC必须有足够的电流输出，设计产品时必须使驱动IC工作在满负载输出的70％～90％的最佳工作区域。使用满负载输出电流的驱动IC在灯具狭小空间会引起散热不畅，容易损耗和过早失效。

驱动芯片的输出电流必须持续恒定，这样LED光源才能稳定发光而不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用时，其输出电流大小要尽可能一致，也就是离散性要小，这样在大批量自动化生产线上生产才能有效和有序；对于输出电流有一定离散性的驱动芯片必须在出厂或投入生产线前进行分档，调整PCB板上电流设定电阻(Rs)的阻值大小，使生产的LED灯具恒流驱动板能让同类LED光源的发光亮度一致，保证最终产品的一致性。

驱动芯片的封装应有利于芯片管芯的快速散热，如将管芯(Die)直接绑定在铜板上，并有一个管脚直接延伸到封装外，便于直接焊接在PCB板的铜箔上迅速导热。

驱动芯片本身的抗EMI、噪音及耐高压的能力也关系到整个LED灯具产品能否顺利通过CE、UL等认证，因此驱动芯片本身在设计伊始就要选用优秀的拓朴结构和高压生产工艺。

驱动芯片自身功耗要小于0.5w，开关工作频率要大于120Hz，以免工频干扰而产生可见闪烁。

应用方案简洁的PT411S

PT4115具备高度集成的DC/DC降压+恒流功能，能将直流电压直接转换成稳定的恒流输出。应用方案简洁的PT4115实用电路如图3所示。

PT4115采用频率抖动技术有效降低EMI。频率抖动技术是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI问题的新方法，是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄带变为宽带，以此来减小电磁干扰。未采用频率抖动技术时，各次谐波较窄而且离散，幅值在谐波频率较高处，EMI集中在峰尖。采用频率抖动技术后，谐波幅值降低且变得平滑，高次谐波接近连续响应。减小EMI的效果十分显著。

PT4115满足8V～30V的宽电压输入范围，击穿电压＞45V，输出电流可达1.2A，转换效率高达97％，输出电流精度达±5％，芯片具有过温、过压、过流、LED开路保护等多种功能，采用SOT89-5封装，有利于驱动芯片管芯的快速散热，电路简单，仅四个元器件，应用成本低廉。

调光端DIM采用由高向低调光，安全可靠，且PWM和模拟电压均可。同时DIM端内部有一个1MQ上拉电阻Rup连接到内部5V电源上。有些灯具需要实施过温保护，只需在DIM端加1个热敏电阻、NTC或温度二极管，DIM端电压由Rup和NTC分压决定，利用模拟调光的原理以及温度对PN结电流的负反馈实现动态温度控制。由此即可实现LED灯具的动态过温保护。NTC也可选用半导体温度传感器或PN结。实用电路如图4所示。

PT4115应用技术要点包括：AC/DC电流源要足够大；所有器件自身的功耗要尽可能小；确认Vin与负载电压的需求，Vin一AVF=1.2V～1.5V时工作效率较佳；Rs应按LED光源的IF电流大小设计，Rs=0.1/ILED；

・LED电流小于400mA时，L选用68μH－100μH(饱和电流，＞0.6A)；电流在400mA～800mA时，L选用47μH～68μH(饱和电流＞1.2A)；L的输出电流=需用电流×1.5；L选用锰锌4000磁芯；Cin有续流和滤波的功能，电容量不宜太小，耐压不宜太低；整流和续流二极管选用正向压降尽可能小、电流较大的肖特基二极管，可有效地降低系统功耗；PCB铜箔与PT4115的焊盘和GND的接触面积要尽可能大，以利于散热。

元器件的选择标准如表2所示。

芯片的多种应用

PT4115是一颗可用于多种LED灯具驱动的芯片。简单实用的低成本LED灯具方案如图5所示。可将3―9颗1w LED串联，其AVF=3.4V×N，IF=350mA。当Vin=12VDC时，3颗LED串联，AVF=10.2V，工作效率较佳。并可3串并联应用，此时IF=3×350mA=1050mA。灯具系统设计可有N种组合，以适应多种灯具方案的需要。

可用于生产评估板

向灯具厂商提供可用于生产LED灯具驱动的评估板是促进厂家快速投产的好办法。

一颗芯片的推广往往要经历单颗芯片的推广、送样、客户设计应用于产品的电路图、做实验板验证、画PCB版图、采购元器件、组装生产以及调试检测等等一系列流程。路途漫漫，一般需要几个月。现在由生产芯片的上游厂商直接为生产最终产品的生产厂提供可用于生产的评估板，大大缩短了生产厂家产品的开发周期。几个月的推广实践证明，大多数LED灯具厂在检测可用于生产的评估板的性能符合其企标要求后，会立即做一个小批量生产，验证其重复性和可靠性，顺利的话两到三周即可快速进入批量生产。