摘 要：在简要介绍超高亮led的特点以及特性的基础上，详细介绍了led的电阻限流、线性调节器和开关调节器等驱动方式，在此基础上介绍了超高亮led的驱动芯片mlx10801的功能和应用。并给出了当前主要超高亮led驱动芯片的主要特点。
关键词：发光二极管：超高亮：恒流驱动
引言
发光二极管(light emitting diode，led)发明于20世纪60年代，它是利用半导体材料中的电子和空穴相互结合并释放出能量，使得能量带(energy gat，)位阶改变，以发光显示其所释放出的能量。led具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速率快、耐震性佳等优点，被广泛应用于信号指示、数码显示等领域。随着技术的不断进步，超高亮led的研制得到了成功，尤其是白光led的研制成功，使得它越来越多地用在彩灯装饰、甚至照明领域。
1、超高亮led的特点
与传统的照明灯相比，超高亮led具有如下优点：
1)寿命长，可靠耐用，维护费用极为低廉led可连续使用105h，比普通白炽灯泡长100倍；
2)高效率现在已经可以达到201m／w．预计到2005年将达到501m／w[1]，led)的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80％～90％，led比节能灯还要节能1／4；
3)色彩鲜艳，光色单纯 以12英寸的红色交通信号灯为例，它采用低光效的140w白炽灯作为光源，所产生的2000lm的白光经红色滤光片后，光损失90％，只剩下2001m的红光，而在lumileds lighting公司采用18个红色led光源设计的灯中，包括电路损失在内，仅耗电14w，即可产生同样的光效；
4)点亮速度快 汽车信号灯是led光源应用的一个重要领域，由于led响应速度快(ns级)，在汽车上安装高位led刹车灯，可以减少汽车追尾事故的发生。
近年来高亮led已经在汽车的近光灯中得到了应用，例如德国奥迪公司的奥迪a86.o，意大利fioravanti公司在2003年日内瓦车展上推出的概念车yak，美国福特公司不久前在底特律车展上推出的model u都开始将高亮led用于前照灯的设计中。
尽管超高亮led具有许多优点，但目前仍存在下述缺点：
1)功率低市面上的单体led功率一般在5w以下，还没有出现更大功率的led，这是目前led难以成为照明首选的最大瓶颈；
2)需要严格控制温度 led是一种半导体材料，与普通二极管一样具有pn结，由于高亮二极管的功率相对比较大，所以与功率半导体器件相同，需要考虑散热问题，结温过高会直接影响led的寿命，并且会增大led的光衰，情况严重的会将led烧坏；
3)价格高除了功率低，价格是led难以成为照明的主要因素，虽然led目前已被大多数人认识，也被多数人看好，但其高昂的价格难以被消费者接受，目前单体黄色led大约o．6元／个，绿色与蓝色单体led在1．8元／个左右，白色led的价格达到了2.2～5.5元／个左右；如果将几十个单体led组合，其成本将大大增加,如把一个led安装在草坪灯里，其单价就相当于一般草坪灯的几倍，led要成为未来照明的主流光源，就一定要朝着大流明方向发展，成本才有可能降低，市场才有可能突破。
2、超高亮led的特性
hpwa-xh00是lumileds lighting公司的一种超高亮led，本文以它为例分析超高亮led的特性。图1为正向压降(vf)和正向电流的(if)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约2v)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，if与vf成正比。表1是当前主要超高亮led的电气特性。由表1可知，当前超高亮led的最高if可达1a，而vf通常为3～4v。
由于led的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量(φv)与if的关系曲线如图2所示，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，由表1可知led的正向压降变化范围比较大(最大可达1v以上)，而由图1中的vf-if曲线可知，vf的微小变化会引起较大的，if变化，从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证led亮度的一致性，并且影响led的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮led通常采用恒流源驱动。
图3是hpwa-xh00 led的温度与光通量(φv)关系曲线，由图3可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而一40℃时光输出是25℃时的1．8倍。温度的变化对lfd的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是led保持恒定亮度的保证。
3 超高亮led的驱动电路
由于受到led功率水平的限制，通常需同时驱动多个led以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮led。下面简要介绍led驱动的主要电路。
3．1 阻限流电路
如图4所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按式(1)计算。
式中：vin为电路的输入电压：
vf为ied的正向电流；
vf为led在正向电流为，if时的压降；
vd为防反二极管的压降(可选)；
y为每串led的数目；
x为并联led的串数。
由图1可得led的线性化数学模型为
式中：vo为单个led的开通压降；
rs为单个led的线性化等效串联电阻。
则式(1)限流电阻的计算可写为
当电阻选定后，电阻限流电路的if与vf的关系为
由式(4)可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过led的电流也会跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻r的接人损失的功率为xrif，因此效率低。
3．2线性调节器
线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或mosffet作为一动态可调电阻来控制负载。线性调节器有并联型和串联型两种。
图5(a)所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个led，实际上负载可以是多个led串联，下同)，它与led并联，当输入电压增大或者led)减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过led的电流保持恒定。
由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。
图5(b)所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持led上的电压(电流)恒定。
由于功率三极管或mosfet管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。
3．3开关调节器
上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普通led驱动时，由于电流只有几个ma，因此损耗不明显，当用作电流有几百ma甚至更高的高亮led的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到90％以上。buek、boost和buck-boost等功率变换器都可以用于led的驱动，只是为了满足led的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。
图6(a)为采用buck变换器的led驱动电路，与传统的buek变换器不同，开关管s移到电感l的后面，使得s源极接地，从而方便了s的驱动，led与l串联，而续流二极管d与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个led串联的场合。
图6(b)为采用boost变换器的led驱动电路，通过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对led的驱动。
图6(c)为采用buck—boost变换器的led驱动电路。与buek电路相似，该电路s的源极可以直接接地，从而方便了s的驱动。boost和 buck-boosl变换器虽然比buck变换器多一个电容，但是，它们都可以提升输出电压的绝对值，因此，在输入电压低，并且需要驱动多个led时应用较多。
4 超高亮led的驱动控制芯片介绍
根据高亮led大功率恒流驱动的特点，很多公司都推出了高亮led的专用驱动控制芯片，例如：melexis、lnfinton(英飞凌)、lienear technology(凌特)、supenex inc、analog。devices(adi)等。
4．1 mlxl0801芯片介绍
mlxl0801是melexi8公刊的一款针对汽车应用的led驱动芯片，该芯片还可以用于继电器等线圈的驱动，以及用作电子熔断器。mlx10801芯片的原理框图如图7所示，它集成了功率mosfet，最大驱动电流为350ma。用作led驱动时，它具有如下特点：
—外邵应用电路简单；
—内部／外部温度检测保护；
—高效率的开关电源驱动；
—可以通过pwm输入控制亮度；
—led的参数可以调节并可以存储到片内nv存储器中。
mlx10801虽然仅有8个管脚，但功能强大，表2为mlxl0801的管脚功能介绍。
图8为mljxl0801的典型应用电路，led、l、d2、rsense和mlxl0801内集成的mosfet组成一个典型的buck型led驱动电路。图8中的led可以根据亮度需要采用多个lei)串联。mlxl0801通过检测rsense上的电压来检测通过led的峰值电流，将该电流值与设定的基准值比较，通过控制脚drv0ut的脉宽，来控制led电流的大小。contr可以用作外部的开／关控制，或者输入pwm信号来控制led闪烁。当不需要控制时，可以将该管脚通过电阻r与脚vs相连。dsense用于连接外部的热敏电阻检测led温度，保护ied。虽然mlxl0801芯片内部具有内置热敏电阻，但是，为了保证芯片与led相距较远时仍能够正确检测到温度，mix10801仍然设置了脚dsense来实现远距离温度的检测。脚calib用来与控制器通讯，用于接受控制器设定led的电流、允许最高温度、采用内部温度检测还是外部温度检测、是否防抖、软启动时间等参数。
4.2 大功率led驱动芯片的比较
表3所列为当前主要大功率ied驱动控制芯片性能比较，在应用大功率ied驱动控制芯片时，可以依据不同的应用场合进行选择：
1)当需要较高功率时可选择功率器件没有集成在芯片内的控制器，这样就可以按照实际的功率需求单独选择功率器件；
2)当需要较高的变换效率时，如便携式设备等，可选择开关电源类的驱动电路；
3)当应用于可靠性高的设备中，可选择具有温度保护、故障报警等控制功能全面的芯片。
5 结语
随着技术的进步，超高亮led的功率会进一步提高，成本也会降低，高效节能的超高亮led必将广泛应用于照明领域。而低成本，高可靠性的驱动电路，是保证led具有持久亮度的关键。