大功率LED恒流驱动方案选择及设计
虽然大功率led现在还不能大规模取代传统的照明灯具，但它们在室内外装饰、特种照明方面有着越来越广泛的应用，因此掌握大功率led恒流驱动器的设计技术，对于开拓大功率led的新应用至关重要。led按照功率和发光亮度可以划分为大功率led、高亮度led及普通led。一般来说，大功率led的功率至少在1w以上，目前比较常见的有1w、3w、5w、8w和10w。已大批量应用的有1w和3w led，而5w、8w和10w led的应用相对较少。
恒流驱动和提高led的光学效率是led应用设计的两个关键问题，本文介绍大功率led的应用及其恒流驱动方案的选择指南，然后以美国国家半导体 （ns）的产品为例，重点讨论如何巧妙应用led恒流驱动电路的采样电阻提高大功率led的效率，并给出大功率led驱动器设计与散热设计的注意事项。
驱动芯片的选择
led驱动只占led照明系统成本的很小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性。目前，美国国家半导体公司的led驱动方案主要定位在中高端led照明和灯饰等市场。灯饰分为室内和室外两种，由于室内led灯所应用的电源环境有ac/dc和dc/dc转换器两种方式，所以驱动芯片的选择也要从这两方面考虑。
图1：可变电流和可变电压基本电路
1. ac/dc转换器
ac/dc分为220v交流输入和12v交流输入。12v交流电是酒店中广泛应用的卤素灯的电源，现有的led可以在保留现有交流12v的条件下进行设计。针对替代卤素灯的设计，美国国家半导体lm2734的主要优势是体积小、可靠性高、输出电流高达1a，恰好适合卤素灯灯口直径小的特点。
取代卤素灯之后，led灯一般做成1w或3w。led灯与卤素灯相比有两大优势：（1）光源比较集中，1w照明所获得的亮度等同于十几瓦卤素灯的亮度，因此比较省电;（2） led灯的寿命比卤素灯长。
led灯的主要弱点是灯光的射角太窄，成本相对较高。但从长远来看，由于led灯的寿命较长，所以还是具有非常大的成本优势。220v ac/dc转换器（例如lm5021）主要锁定舞台灯和路灯市场。
2. dc/dc转换器
目前，led手电筒占据了dc/dc转换器的绝大部分需求量。手电筒采用的led功率基本上是1w，供电方式包括锂电池和镍锌电池、碱性电池等。3w 手电筒的应用一直还存在一些难点，因为3w led灯本身需要散热，散热装置的体积大，从而在一定程度上削弱了led灯体积小的优势。此外，由于3w led灯的电流高达700ma，一次充电后的电池使用时间缩短。尽管如此，对于上述应用国家半导体提供lm3475、lm2623a和lm3485等方案。
矿灯也是led灯的主要应用领域之一，它属于特种照明行业，需要专业的认证标准，中国对led在矿灯领域的应用一直都很重视。目前，led设计行业存在对特种行业的需求认识不足的问题，设计中常采用一些不切实际的、新奇的设计方案。例如，将led灯和电池一起嵌入头盔，却没有考虑到矿灯特殊使用环境的各种需求，这可能是造成led在矿灯市场的应用一直没有打开局面的重要原因。
对于矿灯led应用，美国国家半导体提供了丰富的dc/dc稳压器产品，包括lm3485、lm3478和lm5010。已经用户采用一颗1w的led灯，周围再放6颗普通的高亮度led灯，构成一种具有特殊闪烁功能的矿灯。
总而言之，led灯在灯饰和特种照明行业有着广泛的发展前景，国家半导体为此提供完整的新型led驱动解决方案。
图3：基于lm2734的恒流驱动电路
高效的恒流驱动电路
恒压供电的基本电路（图1左）采用反馈电阻rfb1和rfb2，当负载电流发生变化时，vfb也随之变化，dc/dc稳压器通过感知vfb的变化，使输出电压维持在一个固定的电平：
v0=（vfb*（rfb1 rfb2））/rfb1 （1）
在图1右边电路中，dc/dc稳压器的fb是高阻输入端，流经led的电流if为：
if=vfb/rfb （2）
为保持if恒定，dc/dc稳压器感知vfb，然后调整led正端电压，使流经led的电流保持恒定。这就是利用dc/dc稳压器fb反馈端实现恒压到恒流转换的原理。
一般来说，dc/dc稳压器对vfb的变化有一个感知的范围，一旦led选定，其工作电流if的大小也就确定了，所选的电阻要保证vfb落在dc/dc稳压器容许的范围内。
以vfb等于1.25v为例，假设if分别为15ma、350ma和700ma，采样电阻的功耗将分别小于20mw、400mw和800mw。对于 1w的led来说，采样电阻的功耗分别占到总电源消耗的2%、40%和80%。因此，采样电阻的设计对提高led的功效至关重要，它应该选取尽可能小的数值。
由于直接将rfb连接fb端会造成rfb的功耗过大，所以在fb端和rfb之间放置一个运算放大器，以放大rfb采集到的电压vtap（图2）。
if=vtap/rfb=（vfb/rfb）*（1 rf/ri） （3）
通常，1w大功率led的典型工作电流为350ma，如果选择rfb等于1欧姆，则rfb的功耗为：
prfb=i2*r=0.352*1=0.12w （4）
考虑运算放大器本身的功耗，rfb及其附属电路的功耗大约为1w led功率的12%。这样就能在确保led获得恒流供电的同时，将rfb的功耗降低到可以接受的水平，从而使led两端的电压尽可能大，流经的电流也尽可能大。国家半导体按照这个原理工作的稳压器有lm2736和lm2734。
图4：从采样电阻直接获取反馈电压的设计
lm2734是1a降压型稳压器。基于lm2734的恒流驱动电路（图3）利用lm321运算放大器获取采样电阻rset上的电压，结合其它电阻和电容就可以构成一个完整、高效率的大功率led恒流驱动电路。在实际使用中，有些led恒流驱动电路可以直接从采样电阻获取反馈电压，如图4所示。
图3中采样电阻rset决定了恒流驱动电路的设计，而且对整个系统的效率有重要影响，因此仔细设计rset对节省能源至关重要。
一般来说，如果要求led驱动电流的变化不超过标称值的5%至10%，那么采用精度为2%的电阻就足够了。led驱动电流的典型波动范围是正负 10%。由于采样电阻消耗的功率较大，应避免使用功率较小的贴片电阻。此外，lm3478方案适用于多个大功率led的恒流驱动，而基于lm5021的恒流驱动设计方案则针对220v ac/dc转换器的应用。
恒流驱动与散热的考虑
就电子电路系统设计而言，工程师在设计led恒流驱动电路时首先要了解led的恒流参数。目前led芯片的制造商很多，国内外led的差异主要在于相同电参数的情况下，流明数可能不同，因此设计工程师要清楚地认识到led功率并不是决定发光效率的唯一参数。例如，同样是1w的led，有的led可以达到40流明的亮度，而有的只能达到20流明的亮度，这是因为led光学效率还取决于材料和制作工艺等诸多环节。
有些设计工程师为提高发光效率而采取加大驱动电流的办法，例如，对于同一颗1w led，加大驱动电流后，亮度可以从20流明提高到40流明，但是led的工作温度也相应升高了。一旦温度超过led的限温点，就会影响led的寿命和可靠性，这是设计恒流驱动过程中需要注意的重要问题。
此外，led照明系统的光学效率不仅仅取决于led恒流驱动方案，还与整个系统的散热设计密切相关。为缩小体积，某些led恒流驱动系统将led驱动电路与散热部分贴近设计，这样容易影响可靠性。
一般来说，led照明系统的热源基本就是led灯本身的热源，热源太集中会产生热损耗，因此led驱动电路不能与散热系统紧贴在一起。建议采取下列散热措施：led灯采用铝基板散热;功率器件均匀排布;尽可能避免将led驱动电路与散热部分贴近设计;抑制封装至印刷电路基板的热阻抗;提高led芯片的散热顺畅性以降低热阻抗。
表1：大功率led在寿命上具有很大优势
新应用对驱动器的要求
大功率led被称为“绿色光源”，它将向大led电流（300ma 至1.4a）、高效率（60至120 流明/瓦）、亮度可调的方向发展。
由于大功率led在寿命上具有很大优势（表1），所以发展前景非常广阔，其中最被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境。但这些应用对led驱动系统设计也提出了新的要求，包括：输入电压范围一般要求为6v到24v;具有冲击负载保护、反相和过压保护;待机功耗非常低;低带隙基准以减少电流检测损耗以及具有pwm调整亮度的功能等。
针对这些需求，美国国家半导体公司提供了全系列led驱动器设计方案（见表2），可以为用户提供全面的led驱动器解决方案。
led照明系统需要借助于恒流供电，目前主流的恒流驱动设计方案是利用线性或开关型dc/dc稳压器结合特定的反馈电路为led提供恒流供电，根据 dc/dc稳压器外围电路设计的差异，又可以分为电感型led驱动器和开关电容型led驱动器。电感型升压驱动器方案其优点是驱动电流较高，led的端电压较低、功耗较低、效率保持不变，特别适用于驱动多只led的应用。在大功率led驱动器设计中，主要采用开关电容型led驱动方案，其优点是led两端的电压较高、流过的电流较大，从而获得较高的功效及光学效率。先进的开关电容技术还能够提高效率，因而在大功率led驱动中应用广泛。
表2：美国国家半导体的led驱动器解决方案一览表
本文小结
大功率led照明技术有着广阔的发展前景，因而受到普遍的关注和投资者的追捧。现阶段，由于led芯片设计和制造技术及材料等诸多因素的限制，它暂时还不能完全取代传统的照明灯具，因而人们更为关注大功率led在特种照明中的应用。
本文首先介绍了特种照明的应用环境，然后，详细阐述了利用dc/dc稳压器实现恒压转恒流设计的基本原理和实际案例，并说明了大功率led驱动器设计与散热部分设计应该注意的事项，最后指出了大功率led新应用对驱动器设计提出的新要求，给出了国家半导体公司的完整解决方案的指南，它有助于从事led 照明行业的电子设计工程师全面掌握最新的led驱动器系统设计技术。
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恒流驱动和提高led的光学效率是led应用设计的两个关键问题，本文介绍大功率led的应用及其恒流驱动方案的选择指南，然后以美国国家半导体 （ns）的产品为例，重点讨论如何巧妙应用led恒流驱动电路的采样电阻提高大功率led的效率，并给出大功率led驱动器设计与散热设计的注意事项。
驱动芯片的选择
led驱动只占led照明系统成本的很小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性。目前，美国国家半导体公司的led驱动方案主要定位在中高端led照明和灯饰等市场。灯饰分为室内和室外两种，由于室内led灯所应用的电源环境有ac/dc和dc/dc转换器两种方式，所以驱动芯片的选择也要从这两方面考虑。
图1：可变电流和可变电压基本电路
1. ac/dc转换器
ac/dc分为220v交流输入和12v交流输入。12v交流电是酒店中广泛应用的卤素灯的电源，现有的led可以在保留现有交流12v的条件下进行设计。针对替代卤素灯的设计，美国国家半导体lm2734的主要优势是体积小、可靠性高、输出电流高达1a，恰好适合卤素灯灯口直径小的特点。
取代卤素灯之后，led灯一般做成1w或3w。led灯与卤素灯相比有两大优势：（1）光源比较集中，1w照明所获得的亮度等同于十几瓦卤素灯的亮度，因此比较省电;（2） led灯的寿命比卤素灯长。
led灯的主要弱点是灯光的射角太窄，成本相对较高。但从长远来看，由于led灯的寿命较长，所以还是具有非常大的成本优势。220v ac/dc转换器（例如lm5021）主要锁定舞台灯和路灯市场。
2. dc/dc转换器
目前，led手电筒占据了dc/dc转换器的绝大部分需求量。手电筒采用的led功率基本上是1w，供电方式包括锂电池和镍锌电池、碱性电池等。3w 手电筒的应用一直还存在一些难点，因为3w led灯本身需要散热，散热装置的体积大，从而在一定程度上削弱了led灯体积小的优势。此外，由于3w led灯的电流高达700ma，一次充电后的电池使用时间缩短。尽管如此，对于上述应用国家半导体提供lm3475、lm2623a和lm3485等方案。
矿灯也是led灯的主要应用领域之一，它属于特种照明行业，需要专业的认证标准，中国对led在矿灯领域的应用一直都很重视。目前，led设计行业存在对特种行业的需求认识不足的问题，设计中常采用一些不切实际的、新奇的设计方案。例如，将led灯和电池一起嵌入头盔，却没有考虑到矿灯特殊使用环境的各种需求，这可能是造成led在矿灯市场的应用一直没有打开局面的重要原因。
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总而言之，led灯在灯饰和特种照明行业有着广泛的发展前景，国家半导体为此提供完整的新型led驱动解决方案。
图3：基于lm2734的恒流驱动电路
高效的恒流驱动电路
恒压供电的基本电路（图1左）采用反馈电阻rfb1和rfb2，当负载电流发生变化时，vfb也随之变化，dc/dc稳压器通过感知vfb的变化，使输出电压维持在一个固定的电平：
v0=（vfb*（rfb1 rfb2））/rfb1 （1）
在图1右边电路中，dc/dc稳压器的fb是高阻输入端，流经led的电流if为：
if=vfb/rfb （2）
为保持if恒定，dc/dc稳压器感知vfb，然后调整led正端电压，使流经led的电流保持恒定。这就是利用dc/dc稳压器fb反馈端实现恒压到恒流转换的原理。
一般来说，dc/dc稳压器对vfb的变化有一个感知的范围，一旦led选定，其工作电流if的大小也就确定了，所选的电阻要保证vfb落在dc/dc稳压器容许的范围内。
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lm2734是1a降压型稳压器。基于lm2734的恒流驱动电路（图3）利用lm321运算放大器获取采样电阻rset上的电压，结合其它电阻和电容就可以构成一个完整、高效率的大功率led恒流驱动电路。在实际使用中，有些led恒流驱动电路可以直接从采样电阻获取反馈电压，如图4所示。
图3中采样电阻rset决定了恒流驱动电路的设计，而且对整个系统的效率有重要影响，因此仔细设计rset对节省能源至关重要。
一般来说，如果要求led驱动电流的变化不超过标称值的5%至10%，那么采用精度为2%的电阻就足够了。led驱动电流的典型波动范围是正负 10%。由于采样电阻消耗的功率较大，应避免使用功率较小的贴片电阻。此外，lm3478方案适用于多个大功率led的恒流驱动，而基于lm5021的恒流驱动设计方案则针对220v ac/dc转换器的应用。
恒流驱动与散热的考虑
就电子电路系统设计而言，工程师在设计led恒流驱动电路时首先要了解led的恒流参数。目前led芯片的制造商很多，国内外led的差异主要在于相同电参数的情况下，流明数可能不同，因此设计工程师要清楚地认识到led功率并不是决定发光效率的唯一参数。例如，同样是1w的led，有的led可以达到40流明的亮度，而有的只能达到20流明的亮度，这是因为led光学效率还取决于材料和制作工艺等诸多环节。
有些设计工程师为提高发光效率而采取加大驱动电流的办法，例如，对于同一颗1w led，加大驱动电流后，亮度可以从20流明提高到40流明，但是led的工作温度也相应升高了。一旦温度超过led的限温点，就会影响led的寿命和可靠性，这是设计恒流驱动过程中需要注意的重要问题。
此外，led照明系统的光学效率不仅仅取决于led恒流驱动方案，还与整个系统的散热设计密切相关。为缩小体积，某些led恒流驱动系统将led驱动电路与散热部分贴近设计，这样容易影响可靠性。
一般来说，led照明系统的热源基本就是led灯本身的热源，热源太集中会产生热损耗，因此led驱动电路不能与散热系统紧贴在一起。建议采取下列散热措施：led灯采用铝基板散热;功率器件均匀排布;尽可能避免将led驱动电路与散热部分贴近设计;抑制封装至印刷电路基板的热阻抗;提高led芯片的散热顺畅性以降低热阻抗。
表1：大功率led在寿命上具有很大优势
新应用对驱动器的要求
大功率led被称为“绿色光源”，它将向大led电流（300ma 至1.4a）、高效率（60至120 流明/瓦）、亮度可调的方向发展。
由于大功率led在寿命上具有很大优势（表1），所以发展前景非常广阔，其中最被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境。但这些应用对led驱动系统设计也提出了新的要求，包括：输入电压范围一般要求为6v到24v;具有冲击负载保护、反相和过压保护;待机功耗非常低;低带隙基准以减少电流检测损耗以及具有pwm调整亮度的功能等。
针对这些需求，美国国家半导体公司提供了全系列led驱动器设计方案（见表2），可以为用户提供全面的led驱动器解决方案。
led照明系统需要借助于恒流供电，目前主流的恒流驱动设计方案是利用线性或开关型dc/dc稳压器结合特定的反馈电路为led提供恒流供电，根据 dc/dc稳压器外围电路设计的差异，又可以分为电感型led驱动器和开关电容型led驱动器。电感型升压驱动器方案其优点是驱动电流较高，led的端电压较低、功耗较低、效率保持不变，特别适用于驱动多只led的应用。在大功率led驱动器设计中，主要采用开关电容型led驱动方案，其优点是led两端的电压较高、流过的电流较大，从而获得较高的功效及光学效率。先进的开关电容技术还能够提高效率，因而在大功率led驱动中应用广泛。
表2：美国国家半导体的led驱动器解决方案一览表
本文小结
大功率led照明技术有着广阔的发展前景，因而受到普遍的关注和投资者的追捧。现阶段，由于led芯片设计和制造技术及材料等诸多因素的限制，它暂时还不能完全取代传统的照明灯具，因而人们更为关注大功率led在特种照明中的应用。
本文首先介绍了特种照明的应用环境，然后，详细阐述了利用dc/dc稳压器实现恒压转恒流设计的基本原理和实际案例，并说明了大功率led驱动器设计与散热部分设计应该注意的事项，最后指出了大功率led新应用对驱动器设计提出的新要求，给出了国家半导体公司的完整解决方案的指南，它有助于从事led 照明行业的电子设计工程师全面掌握最新的led驱动器系统设计技术。
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