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超高亮led的驱动功能与应用

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。

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