LED灯具低压驱动技术

       LED照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在 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；以及在家庭照明都会得到海量的应用，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光源的技术日趋成熟，每瓦发光流明迅速增长，促使其逐年递减降价。以 1W LED光源为例，2008年春的价格已是 2006年春的价格三分之一，2009年春将降至 2006年的四分之一。

       LED绿色灯具的海量市场和持续稳定数年增长需求将是集成电路行业继VCD、DVD、手机、MP3之后的消费电子市场的超级海啸！

       LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。

       LED高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管 0.03瓦-1 瓦）电光功率转换接近 100%，相同照明效果比传统光源节能 80%以上。

       LED长寿命：LED光源被称为长寿灯。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 5万到 10万小时，比传统光源寿命长 10倍以上。

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

    照明用 LED光源的 VF电压都很低，一般 VF =2.75-3.8V，IF在 15-1400mA；因此 LED驱动 IC的输出电压是 VF X N或 VF X 1, IF恒流在 15-1400mA。LED灯具使用的 LED光源有小功率（IF=15-20mA）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光源是低电压、大电流驱动的器件，其发光的强度由流过 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照明的优势无法体现。

LED工作要素

       LED工作的主要参数是 VF、IF，其它相关的是颜色/色温/波长/亮度/发光角度/效率/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正向电压是为 LED发光建立一个正常的工作状态，IF正向电流是促使 LED发光，发光亮度与流过的电流成正比例。 LED VF标称电压：3.4V± 0.2V。

LED IF工作电流按应用需要选用，各档不能混用。        

  LED灯用各档 LED电流：

大功率照明用 LED

    大功率照明用 LED其封装从成品来看是单颗芯片的，其实是用 N颗 LED管芯封装在一个单位里的。它们的排列组合是串并联，它们是 N个串联，再 N个并联，然后由二点联接电源（图 1）。选用时要特别注意它的 VF和 IF。

  图 1 大功率照明用 LED内部结构

LED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开关稳压器降压和变换成恒流源，输出恒定的电流驱动 LED光源。LED光源是按灯具的设计要求由小功率或大功率 LED多串多并而组成。每串的 IF电流是按所选用的 LED光源 IF要求设计，总的正向电压△ VF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以下的交流电源可以考虑非隔离供电，如选用 220V和 100V的交流电源应考虑隔离供电。

图 2 LED灯具驱动原理

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、3W大功率 LED光源，使用 AC/DC12-36V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的串联个数在 1-9颗，尤以 1-3颗为常见。串联的总△VF应低于电源 Vin。如三颗 LED串联，△ VF=3.4V X 3=10.2V。在 Vin>12V，能正常工作。 MR11、MR16射灯常见的是 1W X 3串联或 3W X 1；水底灯常见的是 1W X 3串联 2-3并，三个一组；洗墙灯常见的是 1W X 7-9串联；路灯常见的是 1W X 9串联 3并，4--6个一组；、汽车工作灯常见的是 1W X 3-6串联 3并。当然 LED的串并联的方案是多种多样的，串联个数与其工作电压（Vin）有关，这里就 DC12-36V工作电压而言。目前 1W的 LED光源散热较好，因此选用较多。

LED灯具对低压驱动芯片的要求

       1 ）驱动芯片的标称输入电压范围应当满足 DC8-40V，以覆盖应用面的需要，耐压如能大于 45V更好；AC 12V或 24 V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光源也因此被烧毁。

       2 ）驱动芯片的标称输出电流要求大于 1.2-1.5A，作为照明用的 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必需有足够的电流输出，设计产品时必需使驱动 IC工作在满负输出的 70-90%的最佳工作区域。使用满负输出电流的驱动 IC在灯具狭小空间散热不畅，容易疲劳和早期失效。

       3 ）驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LED光源才能稳定发光，亮度不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用，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选在出厂或投入生产线前分档，调整 PCB板上电流设定电阻（ Rs）的阻值大小，使之生产的 LED灯具恒流驱动板对同类 LED光源的发光亮度一致，保持最终产品的一致性。

       4  ）驱动芯片的封装应有利于驱动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 Pin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（图 3）。如在一个类似 4X4mm的硅片管芯上，要长时间通过 300-1000mA的电流，必然有功耗，必然会发热，芯片本身的物理散热结构也是至关重要的。

                                  Die

                                 塑封      铜板                  

  图 3 驱动 IC剖面    

  驱动 IC俯视

5）驱动芯片本身的抗 EMI、噪音、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

拓朴结构和高压的生产工艺。

6）驱动芯片自身功耗要求小于 0.5W，开关工作频率要求大于 120Hz，以免工频干扰而产生可见闪烁

应用方案简洁的 PT4115

       PT4115具备高度集成的 DC/DC-Buck→Constant Current 功能，它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 4。

       PT4115的开关频率采用抖频技术有效降低 EMI。频率抖动技术(Frequency Jitter)是一种从分散谐波干扰能量着手解决 EMI问题的新方法。频率抖动技术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的方式来降低 EMI，来减小电磁干扰的方法。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。采用频率抖动技术时，谐波幅值降低并且变得平滑，高次谐波接近连续响应。减小 EMI的效果十分显著。

       PT4115是 8-30V宽电压输入，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。周边应用电路简约，仅四个元器件，应用成本低廉。

图 4 应用方案简洁的 PT4115实用电路

       DIM调光采用由高向低调光，安全可靠。 PWM和模拟电压均可。DIM端内部有一个 1兆上拉电阻（ Rup）接到内部 5V电源。有些灯具需要实施过温保护，可在 DIM端加一热敏电阻、NTC或温度二极管，DIM端的电压由 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 5。

图 5 灯具过温保护实用电路

PT4115应用技术要点

   •   AC/DC电流源要足够大；

   •   所有周边器件自身的功耗要尽可能小；

   •   确认 Vin与负载电压的需求，Vin- ∆VF=1.2-1.5V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，L选用 68-100uH (饱和电流>0.6A)；电流在 400mA到 800mA，L选用 47-68uH (饱和电流>1.2A)；L的输出电流=需用电流 X1.5；

   •   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Exposed PAD和 GND的接触面积面积要尽可能大，以利散热。

表 1 周边元器件的选用

单颗芯片多种应用

       PT4115是一颗可应用于多种 LED灯具驱动的芯片，如路灯、水底灯、洗墙灯、泛光灯、隧道灯、汽车工作灯等。简单实用低成本 LED灯具方案如图 6所示。可将 3- 9颗 1W LED串联，其∆VF=3.4 VX N， IF=350mA。当 Vin=12VDC时，3颗 LED串联， ∆VF=10.2V，工作效率较佳。并可 3串并联应用，∆IF=3 X 350mA=1050mA。灯具系统设计可采用 N组合，以适应多种灯具方案的需要。

图 6 简单实用低成本 LED灯具方案

可用于生产 DEMO

    向灯具厂商提供可用于生产 LED灯具驱动 DEMO是促进 LED灯具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，客户要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、调试检测。路途漫漫，一般需要几个月。现在由生产芯片的上游厂家直接为生产最终产品的生产厂提供可用于生产的 DEMO（图 7），大大地缩短了生产厂家产品的开发周期，几个月推广的实践证明，大多数 LED灯具厂在检测可用于生产的 DEMO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，顺利的话二三周可快速进入批量生产。

图 7 可用于生产的 MR16射灯 DEMO

Alec

2008-9-18

参考资料

《背光及照明用 LED驱动 IC技术市场分析》                      颜重光   

          EDN电源技术 2008-3（EDNCHINA）

《照明用 LED驱动与控制技术》 080916                                              颜重光

      中国照明学会 LED灯具设计技术深圳/杭州高级培训班