高功率LED的驱动技术

随着高功率LED的普及，各半导体厂商陆续推出高功率LED驱动专用IC，与此同时大电流LED本身的发热却越来越高，因此LED驱动IC与LED一样，封装在铝质电路板的情况也越来越多。其实传统玻璃环氧树脂只要针对电路板的通孔进行改良设计，同样可以支援高功率LED，此时高精度固定散热端子非常重要。 LED驱动专用IC具备稳定输出电流的优点，反面缺点是外部元件非常多、电路板图案设计复杂、特殊间距要求使用专用基板、使用不易等等。

本文接着介绍4通道LED驱动器的应用，其最大特征在于几乎不使用外部元件，封装外形体积非常小，外形只有2×3mm，封装上不占空间，在高密度封装LED或是电路封装面积有限制的应用领域非常适用，因而经常被误认成低功率LED驱动IC。

4通道LED驱动器电路基本特性

这个4通道LED驱动器的背面设有大面积散热用端子，封装时使用专电路板。如果自行设计电路板时，则必需加大背面衬垫（pad）提高散热性，或是设置众多微细通孔，让热排放到电路板背面。

(图二十二)是4通道LED驱动IC的脚架配置；(表一)则是4通道LED驱动IC的脚架功能；(图二十三)是4通道LED驱动IC的基本电路示意图。其外部元件只有一个电容器与电阻器，电流控制与LED的ON／OFF控制，都是直接从外部执行。

(表二)是4通道LED驱动IC的电气特性一览表，输入额定电压可以同时驱动1～4个左右，VF＝3.5V串联连接的白光LED。 5个以上LED串联连接时，顺电压VF超过16V，要求电源电压使用与顺电压相同，或是大于顺电压的电力时，基于VBATT：4.5～28V的考量，必需在某种特殊条件下才能够满足上述关系。

电流计算系数是决定驱动电流时非常重要的系数，例如流动电流可用1250╱10kΩ=125mA计算式求得，该计算结果就是实际输入各端子的电流值。

以上述计算式为例，同样的计算式计算4端子时，输入电流值会变成500mA，主要原因是1250的电流计算系数，会随着此LED驱动器的制作批号改变，使用时必需仔细确认。

以1250的电流计算系数获得计算结果为125mA，实际各通道绝对最大额定值为150mA，不过使用时电流值最好降低些比较稳当。

《图二十二 4信道LED驱动IC ZD3315的脚架配置示意图（其中附设2×3mmDFN、散热垫焊接于PCB）》

《图二十三 4信道LED驱动IC ZD3315的基本电路图》

降热电路设计

(图二十四)是电源ON时，同时驱动3×4=12个LED的电路图，如图所示为达成电源ON时LED同时点灯的要求，因此将启动端子（enable pin）连接于Vin 。

电源电压若设定成与LED顺电压相同时，或是抑制在正1～1.5V左右时，LED驱动器产生的热可以降至最小范围。假设顺电压VF＝3.5V，3.5V×3＝10.5V，电源电压若设定成10.5V，就可以抑制LED发热。

此外输出电压使用某种程度可变的切换电源，能够获得抑制发热的驱动效果；电压使用非可变的AC变压器（Adapter）时，建议读者输出电压尽量选择接近顺电压的变压器。

《图二十四 3×4=12个LED的驱动电路》

根据厂商所提供的规格书资料，此LED驱动IC的电流计算系数RSET为1250，不过这会随着制作时段改变。此处试算电流计算系数RSET为800的驱动器，其结果如下：

《公式一》

若将8KΩ封装于RESET,各通道就可以输入100mA的电流,由此可知利用电流计算系数RSET,可以大幅简化易LED驱动电流的计算。

电流计算系数RESET若当作流量(volume)使用,还可以发挥调光功能,基本计算方法是8kΩ(固定电阻)+××kΩ(流量)。

以图二十四的驱动电路为例，3个LED串联连接电源电压Vin大约是12V，相较之下(图二十五)的6个LED串联连接时，要求21V的电源电压，两者最大差异是按图二十五的电源电压Vin的输入端设有R1，R1， R1。 R1值利用下式计算：

《公式二》

换言之只要设置714 Ω的电阻器就没问题。

《图二十五 6×4＝24个LED的驱动电路》

利用端子短路大电流电路设计

这颗LED驱动IC的驱动能力为150mA，实际应用时建议控制在125mA左右。目前高功率LED的驱动电流大多超过1A，利用LED驱动IC驱动更大电流时，依照(图二十六)连接就可以使用大电流。

连接方法很简单,这是将IPAD1与IPAD2短路,使设定电流变成2倍,假设设定电流为125mA,上述两端子短路就变成250mA。

相同手法设计三端子、四端子短路，电流值分别变成3倍与4倍，如此单个驱动器​​最多可以驱动125mA×4＝500mA的电流。

《图二十六 大电流驱动方法》

利用并联封装大电流电路设计

以上介绍的大电流驱动方法，是利用端子短路提高电流值增加LED点灯数，此外驱动器并联封装，同样可以实现大电流驱动复数个LED的目的。

(图二十七)是以500mA大电流驱动复数LED的电路范例，假设电流设定系数为1250，10kΩ封装于ISET时，并联连接的LED电流为1250／10KΩ＝0.125A，亦即每个端子的电流值为0.125A，三个驱动器并联封装要求0.125A×3＝0.375A，由于电源电压超过16V，因此依照式（1）计算R1、R2、R3。

《图二十七 以大电流驱动复数LED的电路范例》

(图二十八)是1A等级高功率LED的驱动电路范例，设计时首先计算一个端子的电流值，接着乘上短路端子的数量，就可以求出输入LED的电流值。

假设电流值系数为1250，R4与R5分别是10kΩ，如此一来每个端子的电流值就是0.125A。以图二十八为例，由于驱动器的4个LED连接端子全部短路，因此一个驱动器的电流值变成500mA，两个驱动器并联封装电流值变成2倍，可以驱动1A等级的LED。

《图二十八 1A等级的LED驱动电路》

LED驱动器调光方法

这颗LED驱动器的调光方法有两种，第一种控制方法是使用启动端子（EN）。如(图二十九)所示对启动端子施加时脉（clock），可以控制LED的点灯或熄灯，若改变时脉的工作周期，就能够控制LED的亮度，启动端子（enable pin）最大驱动频率为50kHz。

第二种控制方法是使用ISET端子，如(图三十)所示，这是对ISET端子施加0～1.5V的电压，作0～100％的类比调光，至于电流值的计算方式则与上述相同，利用电流值系数1250／R的阻抗值。

一般调光方式LED未完全熄灯之前无法进行调光，不过这种方式可以作类比调光，适合应用于相机摄影。类似这样启动端子与ISET端子分开使用的方式，使用者能够自由选择数位调光或是类比调光，使用上非常方便。

《图二十九 利用启动（EN）脚架对调光（EN）端子施加频率图》

《图三十 ISET脚架构成的模拟调光电路图》

(图三十一)是LED驱动器电路板的电路图范例；(表三)则是LED驱动电路板的端子定义，由表三可知这驱动电路设有垫衬（pad），一般用途只要连接电源，再决定电流值系数就可以使LED点灯。

这个电路设计使用电源IC LP2992，会产生类比调光的电压，不需从外部输入其它电源，就能够在基板内部直接进行类比调光。

倘若要求从外部输入类比调光，设计环境上则必须拆掉流量器P8，接着对​​GND之间施加0～1.5V的电压即可。不用类比调光时，同样必须拆掉P8，再用R9设定成0Ω，就可以切换启动模式。

《图三十一 ZD3315 LED驱动电路板的电路图范例》

假设驱动3个串联LED，LED的顺电压VF是3.5V×3＝10.5V，因此电源电压设定成12V或是11V左右。输入电流大约是240mA，不过每个端子的电流只有125mA，显然单端子无法满足实际需要，必需使用二个端子，双端子可以提供120mA的电流，最后再计算120mA、电路板系数为800时的ISET阻抗值：

《公式三》

因此采用近似值6.8kΩ。 ISET阻抗值为6.8kΩ时，LED的电流为：

《公式四》

接着试算4列6个串联LED，总共24个LED的驱动电路。首先设定流动电流值为350mA，由于2个ZD3315 LED驱动IC，无法提出350mA的流动电流，因此并联连接3个LED驱动IC，如此一来每个驱动IC就能够提供350mA／3＝117mA的电流，这与上述117.6 mA的电流值非常接近，因此电流控制用ISET同样使用6.8kΩ的电阻器。

6个串联LED电源电压接近22V,必须设置R1、R2、R3电源电压输入点电阻器,根据公式二计算R1、R2、R3的电阻值,其结果如下:

《公式五》

因此R1、R2、R3分别使用1kΩ的电阻器，然而实际上可能没有1kΩ的电阻器，所以折衷使用大于1kΩ的电阻器。此外为实现单电源类比调光，此电路可使用VR1（Volume）与电源IC（IC4）。

以下接着要介绍直接利用外部微处理器，控制启动端子与ISET端子，达成LED驱动控制目的的方法，由于这种方法是微处理器组合上述LED驱动器IC，因此能够高自由度控制LED光源。

组合微处理器控制LED光源

(图三十二)是利用H8／3664微处理器调整光源的基本电路；(表四)是流量输出转换成A-D时，利用PWM输出动作（duty）反映该转换值的调光用控制程式。这是以具有流量器的A-D埠读取A-D转换值开始，再将该转换值反映在PWM输出埠，进行0～100％可变动作。 0％表示LED完全熄灯，100％表示LED完全点灯。

《图三十二 利用微处理器自由处理光源的基本电路》

《表四 调光用控制程序H8／3664》 - BigPic:708x405

这颗LED驱动IC的外部元件非常少，电路结构相当简洁，大电流驱动时只要将LED端子短路就变成2倍，或是利用驱动IC并联驱​​动产生大电流，因此可涵盖小电流到大电流的所有动作范围。

虽然大电源电压容易发热，不过这颗IC的背面设有散热端子，封装时正确固定可以获得高散热效果。这颗LED驱动IC的外形体积非常小，IC的背面设有垫衬，封装时建议使用自动锡炉（reflow）焊接，或是涂上高传导性散热矽胶加以固定。

上述已提到根据厂商提供的技术资料显示，IC电流值系数为1250，不过这颗ZD3315驱动IC的电流值系数却只有800，主要原因是电流值系数会随着制作批号改变，使用前必需仔细确认。

当这颗LED驱动IC温度过高时，自我振荡（Limiter）会非常敏锐，若LED点灯时发生闪烁现象，通常都是驱动IC过热所造成。因此可利用常用散热的解决方案，包括重新设定电源电压、将封装电路板铝板化以提高散热性，或是追加冷却风扇来强制散热等等。

其他LED驱动IC性能介绍

最后本文介绍的是4通道LED驱动IC LT3476，这颗IC主要特征是各通道除了最大可以输入1A的电流之外，还设有PWM端子，且各通道可作个别控制。

(图三十三)是LT3476驱动器端子配置示意图，虽然这颗LED驱动IC的外部元件非常多，不过4通道最多可以驱动8个串联高功率LED，共计32个LED。

《图三十三 单端子最大可以驱动1A／4ch LED的LT3476驱动器脚架配置示意图》

本电路使用2个电源，分别是LED驱动用与驱动IC用电源。 (图三十四)是这颗LED IC评鉴电路板的电路图，如图所示驱动电路设有100Ω的识别（sense）电阻器，利用驱动IC可以监视电阻器之间的电压，依此调整电流。

图中的7号端子（REF）会输出稳定的1.05V参考电压，若将此电压分压分别施加至VADJ1～VADJ4，就直接变成输出电流。以300mA驱动时，VADJ端子必须设定成0.3V；流量可变的场合，REF端子若设置5kΩ固定电阻器与100kΩ流量器时，VADJ端子的电压可作0～1V调整，亦即0～1A的调光动作。

《图三十四 LT3476评鉴电路板电路示意图》

这颗驱动IC设有PWM1～PWM4端子，若对这些端子施加脉冲，可作LED ON／OFF控制，透过可变duty还可作0～100％的调光动作，如(图三十五)所示。

《图三十五 利用Volume调光的电路范例》

此处以图三十四LT3476评鉴电路板的定数为例，点灯确认VADJ端子的电压。如上所述1.05V的参考电压，以66.5kΩ与33.2kΩ分压，可以对VADJ端子施加大约1.05×0.332＝348mV的电压，输出电流就变成350mA。

这里必需注意的是PWM端子呈自由状态时无法点灯，必需利用脉冲产生器（pulse generator）才能输出时脉。 (图三十六)是ch1的电流波形与ch2 PWM端子的动作波形，由图可知电流与时脉同步流动。

《图三十六 ch1的电流波形与ch2 PWM端子的波形示意图（ch1：100mA／div., ch1：5V／div., 1ms／div.）》

LED专用驱动IC使用上相当复杂，类似LT3476驱动IC有高频切换路径限制，绘制电路图（artwork）时必须格外谨慎。为量测识别电阻器之间的电压，工程师必须让4通道彼此完全独立，否则CAP1～CAP4在电路图会变成PVIN端子。 4通道彼此完全独立的图案描绘非常重要，如果不描绘成独立的图案，就无法正确量测识别电阻器之间的电压，严重时振荡会造成不正常点灯。

这颗LED专用驱动IC的背面是散热端子，焊接精密度直接影响散热效果，加上驱动IC外形体积非常小、端子数量又多，IC背面还设有衬垫不易作手工焊接，建议工程师在设计时可固定治具以自动锡炉方式加工比较妥当。

结语

随着设计与加工技术的进步，未来高功率、高发光效率的LED势必成为市场主流。 LED使用的是非常复杂的控制技术，如何降低额外消费电力持续增加是首要之务。 LED若要能发挥最大效能，除了充分掌握LED的特性之外，选择适当的驱动电路，更是应用上非常重要的一环。