帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
2007最新LED驅動電路(上)
 

【作者: 高士】   2007年11月19日 星期一

瀏覽人次:【11586】
  

前言

具備小型、長壽、低消費電力特徵的LED,成為次世代光源之後開始應用在各種領域。最近幾年隨著LED性能的提升,發光效率超過10W/lm,消費電力超過5W的LED已經商品化,利用LED替代傳統光源的趨勢越來越明顯。


備受期待的LED,為獲得均勻發光特性,會使用非常複雜的控制技術,其結果反而造成電力增大等困擾。LED若要發揮最大特性,如何充分掌握LED的特性,並選擇適當的驅動電路,便顯得非常重要。


LED的驅動方法

LED(Light Emitting Diode)屬於二極體電子元件,必需施加最低電壓的值閥值電壓,才能獲得驅動所需要的電流,這個電壓就是順電壓VF,一般白光LED的順電壓大約是3~4V。


因為製作時的分佈不均,順電壓VF使用溫度的變化不斷改變,因此LED不容易以定電壓驅動,如(圖一)所示。(圖二)則顯示施加電壓一旦超過順電壓VF,LED電流就會急遽增加。


流入LED的最大電流取決於LED種類,最大電流一旦超過額定值時,可能會引發LED破損及壽命降低等問題,因此LED的驅動電路,必需控制在額定電流範圍內,以定電流控制LED ON/OFF動作。


《圖一 白光LED NJSW036A的周圍溫度與順電壓特性》
《圖一 白光LED NJSW036A的周圍溫度與順電壓特性》
《圖二 白光LED NJSW036A的順電壓/順電流特性》
《圖二 白光LED NJSW036A的順電壓/順電流特性》

LED發光時的光量會隨著輸入電流值變化。(圖三)是LED的順電流與相對光束特性的範例,如圖所示,電流增加光量也隨著提高,不過兩者未必成比例關係。此外LED的順電流改變,頻譜也會隨著變化,如(圖四)所示。


《圖三 白光LED NJSW036A的順電流與相對光束特性》
《圖三 白光LED NJSW036A的順電流與相對光束特性》
《圖四 白光LED NJSW036A的順電流與色度特性》
《圖四 白光LED NJSW036A的順電流與色度特性》

白光LED大多利用晶片產生藍光,再與包覆晶片的螢光體產生的黃光混色取得白光。此時若改變電流值,混色平衡也會跟著變化,若與單色LED比較,它的色變化相當明顯,業者多利用電流的光量調整方法,比較適合應用在要求發光色維持一定的用途。


PWM(Pulse Width Modulation)的調光技術,是維持一定發光色的常用方法,PWM利用人眼無法識別高速週期性改變亮度的錯覺特性,使LED的週期性高速與PWM信號同步點燈或熄燈。


此時點燈或熄燈的時間比率(duty cycle;亦即工作週期),決定觀視者識認的亮度,工作週期越大,觀視者感受越明亮。由於此時以點燈時序(timing)輸入至LED的電流為一定值,因此光色不會受到亮度改變。


一般照明應用的場合,PWM的調光頻率大約是200MHz,特殊應用時必需考慮LED的反應特性,選擇PWM的調光頻率。


LED驅動電路

LED屬於電流驅動發光的半導體元件,驅動上要求適當的電源。LED點燈時依照各LED施加順電壓VF,然而大部份的電源電壓未必與LED的順電壓VF一致。


此外為取得安全而穩定的發光,通常都使用定電流電路,使輸入LED的電流維持一定。此外支援PWM方式的調光模式,要求定電流電路具備接收外部信號高速ON/OFF電流的功能。


理想型LED驅動電路

(圖五)是理想性LED驅動電路,如圖所示?的電壓轉換電路,會將電源提供的電壓轉換成LED要求的順電壓VF,?的定電流源接受外部的PWM信號,使輸入LED的電流高速ON/OFF。


LED驅動電路主要功能是使LED點燈,理論上施加的電力,應該會全部被LED消費,不過實際上並不可能,因此必需極力削減LED以外的電力損失。


為獲得高電力效率,LED驅動電路大多使用切換型轉換器(Switching Regulator),利用線圈進行能量傳遞,可以產生壓倒性高效率的電壓轉換,某些轉換器的轉換效率高達95%,相較之下傳統線性轉換器的消費電力,會隨著電壓下降呈比例增加。


《圖五 LED驅動電路要求的電壓轉換與定電流源》
《圖五 LED驅動電路要求的電壓轉換與定電流源》

降壓型轉換器LED驅動電路

(圖六)是降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路,如圖所示,LED設置在線圈輸入端與電壓回饋FB端子(feedback)之間,控制回饋端子電壓則維持在0.8V,由於該端子的輸入阻抗(impedance)非常高,因此流入端子的電流幾乎是0A。


輸入LED的電流IF使用設於FB端子與GND之間的電阻器R1 (以IF=0.8/R1表示),線圈L1提供電流給LED。線圈L1與電阻器R1構成定電流源,輸出的電壓Vout會隨著LED的順電壓VF自動調整。


圖六的降壓型LED驅動電路具備EN端子,EN端子利用外部信號使輸出關閉,當EN端子變成Low時,輸出會關閉,輸入LED的電流變成0A。PWM信號輸入至EN端子,當LED變成High時,LED會點燈並作PWM調光。


《圖六 降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路》 - BigPic:566x268
《圖六 降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路》 - BigPic:566x268

LED驅動電路穩定動作上必需使用輸出電容器Cout,然而LED電流ON/OFF時間受到電容器充放電時間,與轉換器反應特性限制,如(圖七)所示。事實上類似(圖八)的PWM調光工作週期(亦即調整亮度寬度)同樣受到一定的限制,當工作週期變大時,LED的反應就無法跟上,例如(圖九)LED未完全OFF時的波形就是最好的典型範例。



《圖七 LED的波形(ch1:2/div;ch4:50mA/div)》
《圖七 LED的波形(ch1:2/div;ch4:50mA/div)》

《圖八 利用站立、下降時間限制工作週期》
《圖八 利用站立、下降時間限制工作週期》
《圖九 工作週期變大(95%),LED未完全OFF的波形(ch1:2V/div;ch4:50mA/div)》
《圖九 工作週期變大(95%),LED未完全OFF的波形(ch1:2V/div;ch4:50mA/div)》

LED驅動電路使用切換型轉換器的另一項優點,是可以構成升壓電路,即使類似電池驅動機器等低電源電壓系統,使用升壓電路時,只要將複數LED串聯連接,就可以同時點燈。


升壓型轉換器LED驅動電路

(圖十)是升壓型切換轉換器構成的LED驅動電路,圖中的FB端子電壓控制在1.23V,輸入LED的電流IF,可用IF=1.23/R1計算式求得,式中的R1表示電阻器。


這個升壓型LED驅動電路內建輸出耐壓為22V的MOSFET,可以驅動最多5個串聯連接,VF=4V的白光LED,輸入電流隨著升壓比改變,升壓比越大輸入電流越少,以6V的電源電壓驅動5個串聯連接,VF=4V的白光LED時,輸入LED的電流最大值大約是350mA。



《圖十 升壓型切換轉換器構成的LED驅動電路》
《圖十 升壓型切換轉換器構成的LED驅動電路》

理論上使用切換型轉換器可以構成接近理想的LED驅動電路,然而實際上大部份的切換型轉換器並不是針對LED驅動設計,因此PWM調光性能受到一定限制。


此外LED以外的的消費電力非常高,這意味著切換型轉換器性能上有許多改善空間,因此最近幾年半導體廠商發表許多LED驅動性能最佳化的LED驅動專用IC,例如一些降壓型LED驅動IC,能夠提供LED最大0.5A/1A的電流,非常適合驅動複數大電流LED應用。


另一種降壓型轉換LED驅動電路

(圖十一)是另一種降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路,它與圖六的LED驅動電路非常類似,主要差異是前者未使用輸出電容器。


這型驅動電路採用固定導通時間COT(Constant On Time)控制方式,因此穩定動作不需使用輸出電容器與位相補償元件。這款驅動電路CF端子的電壓大約是200mV,可以削減LED以外的的消費電力。雖然這款LED驅動電路動作頻率屬於固定式,不過使用只要連接電阻器RON就可以透過LED改變。



《圖十一 另一款降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路》
《圖十一 另一款降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路》

(圖十二)是流入LED的電流與CS端子電壓的波形,由圖可知輸入LED的電流波形與線圈的電流波形相同都是三角波。


轉換器的切換頻率非常快,人眼無法識別該電流變動造成的亮度變化,三角波的振幅,由轉換器的切換頻率與線圈值決定,相同頻率時線圈值越小、振幅越大。如果容許大振幅就可以使用小線圈,相對地電路面積也會跟著變小,反面缺點是LED的發熱會變大,必需透過動作頻率與線圈值的設定,使三角波的振幅收斂在平均電流值的5~20%範圍內。


這款降壓型LED驅動電路會將PWM信號輸入至DIM端子進行調光,不需使用輸出電容器,具備高速輸出反應特性,若與一般轉換器比較,它能夠實現高速大動態範圍的PWM調光,調光比為10:1,調光頻率大約是30kHz。



《圖十二 LED電流與CS端子電壓的波形(ch1:200mV/div;ch4:200mA/div)》
《圖十二 LED電流與CS端子電壓的波形(ch1:200mV/div;ch4:200mA/div)》

反應特性與比較測試

(圖十三)是上述兩款降壓型LED驅動轉換器的反應特性比較結果,由右圖可知這款驅動電路可作高速切換,速度適合大部份用途,要求高速調光時可將N通道MOSFET與LED串聯連接,如(圖十四)所示,接著再將PWM信號輸入該匯流匣,就能夠支援超高速調光的要求。



《圖十三 降壓型LED轉換器驅動電路的反應特性比較示意圖(ch1:2V/div)》
《圖十三 降壓型LED轉換器驅動電路的反應特性比較示意圖(ch1:2V/div)》

《圖十四 與LED並聯連接的N通道MOSFET示意圖》
《圖十四 與LED並聯連接的N通道MOSFET示意圖》

(圖十五)是使用上述電路時,PWM信號對LED電流反應特性的測試結果,若與使用DIM端子的電路比較,它可以獲得非常高速的反應特性。


上述方法可以實現10:1的調光比,與100kHz以上的動作頻率,不過LED熄燈時電流會持續流入MOSFET,因此它的消費電力比使用DIM端子的電路大,雖然改用一般降壓型轉換器就可以改善上述問題,不過這種方式卻不能使用升壓型轉換器。


《圖十五 與MOSFET並聯連接時的LED電流變化(ch1:500mV/div;ch4:2V/div)》
《圖十五 與MOSFET並聯連接時的LED電流變化(ch1:500mV/div;ch4:2V/div)》

複數小電流LED驅動模式

近幾年消費電力超過3W的大電流LED已經商品化,其單體發光量比以往任何LED還大,然而大電流LED的發光效率卻比小電流LED低,若要重視發光效率,必須使用複數小電流LED,才能獲得必要的光量。


此外LED的指向性非常強,單一LED不易形成面光源,此時大多使用複數小電流LED,再將LED設置成格子狀形成面光源。


複數LED同時點燈,LED的連接方法成為棘手問題,例如90個VF=4V的白光LED串聯連接點燈時,驅動上要求360V+α的電壓。不過實際上高電壓元件的種類相當有限,而且成本有暴漲之虞。工程師在設計上可以15個LED先作串聯連接,接著作6並列排列串並聯方式連接,由於LED的串聯數為15個,因此驅動上只需60V+α。


這裡須注意的是,LED並聯驅動時,列與列之間的順電流IF與順電壓VF的分佈不均,會造成光量分佈不均,並使LED故障時的對策比串聯驅動結構更為複雜等困擾。


模式說明

以下所介紹的LED驅動電路,同時具備複數LED點燈等眾多功能。(圖十六)是升壓型切換轉換器與LED驅動用電流源IC構成的升壓型多燈LED驅動電路,本電路可以同時驅動100個以上VF=4V的白光LED。


升壓型切換轉換器輸入電壓範圍為6~40V,最大輸出電壓為80V。LED驅動用電流源IC具備6通道定電流輸出,每個通道輸出40mA的電流,LED驅動用電流源IC並內建PWM信號調光功能、LED故障時的保護功能以及檢測信號輸出功能,而且各通道的電流誤差低於±3%。


上述兩者使用專用端子連接,利用DHC(Direct Headroom Control)方式,使輸出電壓自動調整成LED驅動上要求的最適電壓,如(圖十七)所示。



《圖十六 升壓型切換轉換器(LM3430)與LED驅動用電流源IC(LM3432)構成的升壓型多燈LED驅動電路》
《圖十六 升壓型切換轉換器(LM3430)與LED驅動用電流源IC(LM3432)構成的升壓型多燈LED驅動電路》

《圖十七 DHC(Direct Headroom Control)驅動電路示意圖》
《圖十七 DHC(Direct Headroom Control)驅動電路示意圖》

LED的單體順電壓VF分佈不均相當大,驅動各列LED的必要電壓都不一樣,DHC會將輸出電壓,當作順電壓VF的總和進行控制,使驅動最大列時必要的電壓變成最小值。LED點燈狀態下即使溫度變化造成順電壓VF改變,該控制會使輸出電壓自動變成最適值,因此可以實現抑制消費電力的目的,如(圖十八)所示。


《圖十八 未使用DHC時的LED電力效率(6×8=48個LED,各20mA驅動)》
《圖十八 未使用DHC時的LED電力效率(6×8=48個LED,各20mA驅動)》

另外如(圖十九)所示,這個LED驅動用電流源IC具備各40mA6通道定電流輸出,未使用的通道若連接至GND就變成少列數使用;若整合複數輸出還可以增加各列的最大電流,如(圖二十)所示。


《圖十九 多餘通道連接至GND的Disable電路示意圖》
《圖十九 多餘通道連接至GND的Disable電路示意圖》
《圖二十 整合複數列、提高LED電流的電路示意圖》
《圖二十 整合複數列、提高LED電流的電路示意圖》

設計複數的LED驅動用電流源IC,連接到一個升壓型切換轉換器,可以同時驅動更多的LED。(圖二十一)是使用複數LED驅動用電流源IC,增加LED同時點燈數量的電路範例,本電路最多可以同時驅動200個以上VF=4V的白光LED。


圖中點線圍繞部份,是本電路對所有LED驅動用電流源IC發揮DHC功能的動作範圍,輸出電壓可以驅動18列中,順電壓VF總和為最大的列,如此就可以使電壓抑制在最小範圍內。



《圖二十一 使用複數LED驅動用電流源IC,增加LED同時點燈數的範例》 - BigPic:679x574
《圖二十一 使用複數LED驅動用電流源IC,增加LED同時點燈數的範例》 - BigPic:679x574

小結

以上介紹LED的特性和最適當的驅動方法,以及LED專用IC構成的驅動電路。為獲得均勻發光,驅動LED需使用控制非常複雜的技術,然而藉由選擇適當的LED驅動IC,同樣可以獲得使用容易的驅動電路。下個月我們將接著要介紹高功率LED的驅動技術。


相關文章
鎖定新一代導彈制動系統的無電刷直流馬達
系統複雜度升級 數位電源讓供電難題迎刃而解
適用於工業馬達驅動的新系統保護方案
輕鬆完成馬達控制設計
ROHM小型升壓DC/DC轉換器提升電池壽命
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
OMAP 4處理器
原廠/品牌:TI
供應商:TI
產品類別:CPU/MPU
Lattice ECP3 Video Protocol Board
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:FPGA
CT49 Memory SiP NAND + DDR3
原廠/品牌:鉅景
供應商:鉅景
產品類別:Memory
  相關新聞
» 為AC LED開拓明路 台灣首度制定國際照明標準
» 默克從日商柯尼卡美能達取得顯示器應用方面的OLED專利
» 新一代紅外線熱像儀可即時動態偵測
» 綠色節能趨勢當道 太陽能空調將是大勢所趨
» Roll-to-Roll試量產線建立 OLED照明邁向商品化
  相關產品
» Silicon Line在Computex 2019展示最新光連結科技
» 市場先鋒:Basler推出智慧型燈源解決方案
» Diodes推出符合汽車規格的60V快速調線性LED控制器
» 英飛凌推出適用於一般照明的新款60V線性LED控制器IC
» UnitedSiC推出用於低功率AC-DC返馳式轉換器的SiC JFET系列

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw