高亮度LED凈化燈恒流驅動電路設計

近幾年，高亮度LED凈化燈 (HB LED)在各種照明系統中作為光源日益受到青睞，這是由于高亮度LED具有高度的可靠性，使用壽命可以達到幾十甚至幾萬小時，比傳統的白熾燈或鹵素燈的使用壽命高出幾個數量級。基于這一優勢，高亮度LED凈化燈在汽車照明、公共標示與信號標志以及建筑照明中得到普遍應用。

　　高亮度LED是經過特殊處理的PN結半導體器件，正向偏置時可發出白光、紅光、綠光或藍光(也可能產生其它顏色光)。作為PN結它們表現出類似于傳統二極管的V-I特性，但具有較高的結壓降。在正向電壓達到VF (從紅光LED的2.5V到藍光LED的4.5V)，流過LED的電流很小；一旦正向電壓達到VF，電流將迅速上升(與傳統二極管相同)。因此，必須采用限流措施限制電流的上升，以防LED損壞。目前有三種基本的限流方式，表1對這三種方式進行了對比：

表1 限流方式比較

　　假設一個白色LED：VF = 4V、ILED = 350mA、VIN = 12V。

    高亮度LED開關電源

　　圖1是基于固定頻率、高集成度PWM開關轉換器MAX5035的高亮度LED凈化燈電源原理圖，輸出電流可達1A。另一類似器件MAX5033的輸出電流可以達到500mA。這款基于電感的buck調節器能夠準確控制流過LED (或幾個串聯LED，總電壓為12V)的電流。MAX5035的開關頻率為125kHz，輸入電壓范圍高達76V (需使用更高額定電壓的輸入電容和二極管)。此電路可以在較寬的輸入電壓范圍內控制并保持恒定的LED電流。表2總結了該電路的設計規格。

圖1 基于固定頻率、高集成度PWM開關轉換器MAX5035的高亮度LED凈化燈電源原理圖
 

表2 圖1電路的基本參數

　　利用圖1電路在控制端作用一個電壓調節LED電流(圖2)。圖3給出了這一控制架構的效率。

圖2 利用圖1電路在控制端作用一個電壓調節LED電流

圖3 控制架構的效率

    控制電壓與三個并聯檢流電阻的電壓共同作用到IC的反饋(FB)引腳。IC的內部控制環路使FB引腳的電壓保持在大約1.22V，因此，由于控制電壓與電流檢測電壓都必須保持在1.22V (由電阻R1和R5設置)，更高的控制電壓將產生更小的電流。

　　以下等式除了適用于本例外，還可用來設計其它的輸出電流和控制電壓：

　　其中：VREF = 1.22V、RSENSE是R2、R3與R4的并聯電阻值(= 5Ω)。

　　在許多情況下，利用低頻(50Hz至200Hz) PWM方式調節LED電流非常方便，通過控制脈沖寬度調節亮度(圖4)。雖然LED在每個脈沖期間保持相同亮度，肉眼能夠察覺到短暫的亮度變化，但是，這種調節方法的優點在于光譜保持不變，采用幅度調節時光譜會隨著流過LED電流的變化而改變。

 

圖4 圖1電路低頻PWM亮度調節的控制和LED電流波形

Ch1：VCONTROL，Ch3：ILED。負載為三個串聯綠色LED，總電壓近似為9.5V。替換小的輸出電容，可以減小關斷時的振蕩幅度。

　　采用100Hz、0V至約3.9V的方波控制波形時，LED電流的脈沖如圖4所示。一般來說，低頻PWM調光電路的效率比線性LED調光電路(圖2)更高。

圖5 圖1所示電路的PCB布局圖

    結論

　　圖1所示IC (MAX5035、MAX5033)為恒流驅動高亮度LED凈化燈提供了一種高性價比方案，該方案具有以下優勢：

　　高開關頻率(125kHz)允許選擇小電抗器件(L1和C2)；

　　能夠在寬輸入電壓范圍內實現高轉換效率；

　　輸出電壓可達12V，能夠驅動三個串聯的高亮度綠色LED；

　　無需機械散熱器；

　　電壓范圍可擴展至76V，適用于驅動汽車高亮度LED；

　　可用于24V信號標志燈和建筑照明；

　　通過變化電流檢測電阻R2、R3與R4值，輸出電流可達到1A；

　　內置開關功率MOSFET，簡化設計；

　　可通過控制輸入引腳，利用模擬電壓幅度(線性調光)調節LED的亮度；

 

　　通過控制輸入，利用低頻PWM信號調節亮度。

  電路設計亮度LED凈化燈