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使用发光二极管驱动电路的注意事项

现今便携式的电子要求LED光源驱动电路具备以下特点:直接控制电流、高效率、PWM调光、过电压保护、断开负载、体积小和使用容易。这篇文章谈论怎么达到这些特点。

直接控制电流

LED是电流驱动发亮而光暗是与正向电流的大小成正比。控制正向电流可用二种方法。第一方法可使用LED电压-电流(V-I)曲线,调节工作电压从而得到理想的正向电流。图1显示这种使用电阻器来调电压从而控制电流的方法。但是,这个方法有几个缺点。任何一个LED正向电压变化会令LED正向电流变化。以正向电压3.6 V 为例,图1的LED有20 mA 电流。如果由于温度或生产制程改变这电压变成4.0 V (电压容忍范围之内),正向电流会降低至14 mA。这正向电压的11 % 变化会导致正向电流30 % 的变化。而且视乎输入电压,通过电阻器的电压下降和电力衰减会做成浪费电量和减少电池寿命。

Figure 1

图1:电压源与电阻器电路图






















第二种方法,驱动LED的更好方法是以恒定电流源来调控LED电流。恒定电流源减少由于正向电压变化而产生的电流变化,亦可以达到恒定的LED亮光度。建设恒定电流源相当简单。输入LED的电源会被横跨电流感应电阻器的电压调控。图2显示这线路。电源供应参考电压及电流感应电阻器的值决定LED电流。多个LED可串联在一起以确保电流流通每个LED都是一样。驱动并联LED时需要在每串LED加电阻器,这会导致低效率和电流不匹配。

Figure 2

图2:使用恒定电流源驱动LED



















高效率

在便携式的应用上,电池寿命是重要的问题。LED驱动器必须是高效率的。测量LED驱动器的效率与典型的电源不同。典型的电源效率测量定义作为产品输出功率除以输入功率。但LED驱动器的输出功率不是参考指标,而重要的是渴望发出的LED亮度所需要的输入功率,这是LED亮度除以输入功率。这样意味在电流感应电阻器浪费的电量会导致效率降低。图3显示电源选择以0.25 V 参考电压对使用1 V 参考电压的效率改进。不管输入电压或LED电流,电源供应器以更低的电流感应电压是高效率的。如所有是均等,更低的参考电压大为改进效率和延长电池寿命。

Figure 3

图3:LED驱动器效率vs电流感应电压
















PWM调光

许多便携式的LED应用需要调光。应用譬如LCD背光源,调光提供亮度和对比调整。两类调光可利用:模拟和PWM。以模拟调光,使用电流最大值的一半可达到一半亮度。这个方法缺点包括LED颜色转移和需要一个模拟控制信号,通常不可利用的。PWM调光是在使用周期利用最大电流,而减少使用周期来调光。若为50%亮光,在50%使用率应用最大电流。PWM信号频率必须保证在100赫兹之上,肉眼是看不见PWM的搏动。PWM频率最大值取决于电源供应器的起动和反应时间。为提供灵活性和舒适,LED驱动器应能接受PWM频率至50千赫之高。

过电压保护

操作电源在恒定电流方式工作下需要过电压保护。不管负载如何,恒定电流源输出恒定的电流。为了供应恒定的电流,如果负载阻抗增加,供应电压必须增加。如果电流源遇到过份负载阻抗,或如果负载已分离,输出电压可能增加在IC 的电压规定值或其它分离零件之上。恒定电流的LED驱动可使用几种过电压保护方法。一是安置齐纳二极管与LED平行。这限制输出电压在齐纳管的击穿电压加上电源的参考电压。在过电压情况期间,输出电压增加到齐纳管击穿电压和开始导通的水平。输出电流流经齐纳管,通过电流感应电阻器至地。齐纳管到了最大限制电压而电源继续供应恒定输出电流。过电压保护的令一个更好的方法是监测输出电压和当超过电压就停止供应电流。在过电压情况下关闭供应可减少能量散失和延长电池寿命。

断开负载

LED电源供应经常忽略的特点是断开负载。当电源供应失效时,断开负载是将LED从电源移除。两个重要的情况:关机和PWM调光。显示在上图2,在电源交换器的关机期间,负载通过线圈和二极管依然连接到输入点。因为输入电压仍然连接到LED,即使电源供应是关机,微小电流继续流入。微小的漏入电流会减少电池寿命。在PWM调光时断开负载也是重要。在调光时的OFF cycle,电源供应是停止的,但输出电容器仍然横跨连接LED。如没有断开负载,输出电容器放电通过LED,直到调光的脉冲再变成ON。因为电容器部份地释放在每个调光周期的开始,所以电源供应必须在每个调光的周期开始时将输出电容器充电。这在各个调光周期的期间制造流入电流。流入电流降低系统效率和在输入总线制造瞬间电压。当电源供应是停止时利用断开负载,那么没有漏出电流及LED从电路中被除去,而且在PWM调光期间,输出电容器保留充分的充电。负载分开电路最好放置MOSFET在LED及电流感应电阻器之间。放置MOSFET在电流感应电阻器及地之间会在输出电流点制造一个错误。

使用容易

使用容易是一个相对的概念。电路的易用性不仅包含最初设计的复杂情度,而且后续的电路需要迅速修改和重复利用来达到其它的要求。总之,Hysteretic控制器是非常容易使用。Hysteretic控制器毋需像传统电源供应设计需要复杂的频率报偿。虽然老练电力供应设计师对频率报偿不会陌生,但多数新手电源供应设计师会觉得它繁琐。因为在不同的输入和输出条件,优化报偿都会改变,传统电源供应设计不会为不同的操作条件而作出修改。Hysteretic控制器先天就很稳定及在输入和输出改变条件时不会变动。

体积小

便携式的电路的另一重要特点为体积小,有几个因素影响电路的大小。第一个因素是开关频率。在更高的开关频率工作下更小的被动零件可以使用。现今便携式应用的LED驱动应该能使用1兆赫频率。而因为开关频率大于1兆赫不能减少电路体积;而且降低效率和电池寿命所以一般不会使用。集成多功能到控制IC是减少电路体积的重要因素。如果所有功能是以分离组件来实现,驱动电路会比电源占更多空间。集成这些功能到控制IC极能减少整体电路体积,另外相同重要的优点是总费用减少。使用分离组件,所有功能在LED驱动可能在组件费用额外增加六十到七十分,当集成控制IC,这些功能只会为IC费用增加一便士。

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