摘要：在簡要介紹超高亮LED的特點以及特性的基礎上，詳細介紹了LED的電阻限流、線性調節器和開關調節器等驅動方式，在此基礎上介紹了超高亮LED的驅動芯片MLX10801的功能和應用．并給出了當前主要超高亮LED驅動芯片的主要特點。

關鍵詞：發光二極管：超高亮：恒流驅動

0 引言
    發光二極管(Light Emitting Diode，LED)發明于20世紀60年代，它是利用半導體材料中的電子和空穴相互結合并釋放出能量，使得能量帶(Energy Gat，)位階改變，以發光顯示其所釋放出的能量。LED具有體積小、壽命長、驅動電壓低、耗電量低、反應速率快、耐震性佳等優點，被廣泛應用于信號指示、數碼顯示等領域。隨著技術的不斷進步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，使得它越來越多地用在彩燈裝飾、甚至照明領域。

l 超高亮LED的特點
    與傳統的照明燈相比，超高亮LED具有如下優點：
    1)壽命長，可靠耐用，維護費用極為低廉LED可連續使用105h，比普通白熾燈泡長100倍；
    2)高效率現在已經可以達到201m／w．預計到2005年將達到501m／W[1]，LED)的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發光效率可達80％～90％，LED比節能燈還要節能1／4；
    3) 色彩鮮艷，光色單純以12英寸的紅色交通信號燈為例，它采用低光效的140W白熾燈作為光源，所產生的2000lm的白光經紅色濾光片后，光損失90％，只剩下2001m的紅光，而在Lumileds Lighting公司采用18個紅色LED光源設計的燈中，包括電路損失在內，僅耗電14W，即可產生同樣的光效；
    4)點亮速度快 汽車信號燈是LED光源應用的一個重要領域，由于LED響應速度快(ns級)，在汽車上安裝高位LED剎車燈，可以減少汽車追尾事故的發生。

    近年來高亮LED已經在汽車的近光燈中得到了應用，例如德國奧迪公司的奧迪A86.O，意大利Fioravanti公司在2003年日內瓦車展上推出的概念車Yak，美國福特公司不久前在底特律車展上推出的Model U都開始將高亮LED用于前照燈的設計中。

    盡管超高亮LED具有許多優點，但目前仍存在下述缺點：
    1)功率低市面上的單體LED功率一般在5W以下，還沒有出現更大功率的LED，這是目前LED難以成為照明首選的最大瓶頸；
    2)需要嚴格控制溫度 LED是一種半導體材料，與普通二極管一樣具有PN結，由于高亮二極管的功率相對比較大，所以與功率半導體器件相同，需要考慮散熱問題，結溫過高會直接影響LED的壽命，并且會增大LED的光衰，情況嚴重的會將LED燒壞；
    3) 價格高除了功率低，價格是LED難以成為照明的主要因素，雖然LED目前已被大多數人認識，也被多數人看好，但其高昂的價格難以被消費者接受，目前單體黃色LED大約O．6元／個，綠色與藍色單體LED在1．8元／個左右，白色LED的價格達到了2.2～5.5元／個左右；如果將幾十個單體LED組合，其成本將大大增加,如把一個LED安裝在草坪燈里，其單價就相當于一般草坪燈的幾倍，LED要成為未來照明的主流光源，就一定要朝著大流明方向發展，成本才有可能降低，市場才有可能突破。

2 超高亮LED的特性
    HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一種超高亮LED，本文以它為例分析超高亮LED的特性。圖1為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線，由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值(約2V)，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比。表1是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表1可知，當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為3～4V。
 

    由于LED的光特性通常都描述為電流的函數，而不是電壓的函數，光通量(φV)與IF的關系曲線如圖2所示，因此，采用恒流源驅動可以更好地控制亮度。此外，由表1可知LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上)，而由圖1中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，IF 變化，從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅動。
 

    圖3是HPWA-xH00 LED的溫度與光通量(φV)關系曲線，由圖3可知光通量與溫度成反比，85℃時的光通量是25℃時的一半，而一40℃時光輸出是25℃時的1．8倍。溫度的變化對LFD的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。
 

3 超高亮LED的驅動電路
    由于受到LED功率水平的限制，通常需同時驅動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅動電路來點亮LED。下面簡要介紹LED驅動的主要電路。

3．1  電阻限流電路
 
    如圖4所示，電阻限流驅動電路是最簡單的驅動電路，限流電阻按式(1)計算。

式中：Vin為電路的輸入電壓：
      VF為IED的正向電流；
      VF為LED在正向電流為，IF時的壓降；
      VD為防反二極管的壓降(可選)；
      y為每串LED的數目；
      x為并聯LED的串數。
    由圖1可得LED的線性化數學模型為

   
式中：Vo為單個LED的開通壓降；
      Rs為單個LED的線性化等效串聯電阻。
    則式(1)限流電阻的計算可寫為

     
    當電阻選定后，電阻限流電路的IF與VF的關系為

     
    由式(4)可知電阻限流電路簡單，但是，在輸入電壓波動時，通過LED的電流也會跟隨變化，因此調節性能差。另外，由于電阻R的接人損失的功率為xRIF，因此效率低。

3．2線性調節器
    線性調節器的核心是利用工作于線性區的功率三極管或MOSFFET作為一動態可調電阻來控制負載。線性調節器有并聯型和串聯型兩種。

     
圖5(a)所示為并聯型線性調節器又稱為分流調節器(圖中僅畫出了一個LED，實際上負載可以是多個LED串聯，下同)，它與LED并聯，當輸入電壓增大或者LED)減少時，通過分流調節器的電流將會增大，這將會增大限流電阻上的壓降，以使通過LED的電流保持恒定。

    由于分流調節器需要串聯一個電阻，所以效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒定的調節。

    圖5(b)所示為串聯型調節器，當輸入電壓增大時，調節動態電阻增大，以保持LED上的電壓(電流)恒定。

    由于功率三極管或MOSFET管都有一個飽和導通電壓，因此，輸入的最小電壓必須大于該飽和電壓與負載電壓之和，電路才能正確地工作。

3．3開關調節器
     上述驅動技術不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驅動時，由于電流只有幾個mA，因此損耗不明顯，當用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅動時，功率電路的損耗就成了比較嚴重的問題。開關電源是目前能量變換中效率最高的，可以達到90％以上。Buek、Boost和 Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅動，只是為了滿足LED的恒流驅動，采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進行反饋控制。
 

     圖6(a)為采用Buck變換器的LED驅動電路，與傳統的Buek變換器不同，開關管S移到電感L的后面，使得S源極接地，從而方便了S的驅動，LED 與L串聯，而續流二極管D與該串聯電路反并聯，該驅動電路不但簡單而且不需要輸出濾波電容，降低了成本。但是，Buck變換器是降壓變換器，不適用于輸入電壓低或者多個LED串聯的場合。

    圖6(b)為采用Boost變換器的LED驅動電路，通過電感儲能將輸出電壓泵至比輸入電壓更高的期望值，實現在低輸入電壓下對LED的驅動。

     圖6(c)為采用Buck—Boost變換器的LED驅動電路。與Buek電路相似，該電路S的源極可以直接接地，從而方便了S的驅動。Boost和 Buck-Boosl變換器雖然比Buck變換器多一個電容，但是，它們都可以提升輸出電壓的絕對值，因此，在輸入電壓低，并且需要驅動多個LED時應用較多。

4 超高亮LED的驅動控制芯片介紹
    根據高亮LED大功率恒流驅動的特點，很多公司都推出了高亮LED的專用驅動控制芯片，例如：Melexis、lnfinton(英飛凌)、Lienear Technology(凌特)、Supenex Inc、Analog。Devices(ADI)等。

4．1 MLxl0801芯片介紹
    MLXl0801 是Melexi8公刊的一款針對汽車應用的LED驅動芯片，該芯片還可以用于繼電器等線圈的驅動，以及用作電子熔斷器。MLx10801芯片的原理框圖如圖7所示，它集成了功率MOSFET，最大驅動電流為350mA。用作LED驅動時，它具有如下特點：
    —外部應用電路簡單；
    —內部／外部溫度檢測保護；
    —高效率的開關電源驅動；
    —可以通過PWM輸入控制亮度；
    —LED的參數可以調節并可以存儲到片內NV存儲器中。
    MLX10801雖然僅有8個管腳，但功能強大，表2為MLXl0801的管腳功能介紹。
 
 
 

    圖8為MlJXl0801的典型應用電路，LED、L、D2、Rsense和MLXl0801內集成的MOSFET組成一個典型的Buck 型LED驅動電路。圖8中的LED可以根據亮度需要采用多個LEI)串聯。MLXl0801通過檢測Rsense上的電壓來檢測通過LED的峰值電流，將該電流值與設定的基準值比較，通過控制腳DRV0UT的脈寬，來控制LED電流的大小。CONTR可以用作外部的開／關控制，或者輸入PWM信號來控制 LED閃爍。當不需要控制時，可以將該管腳通過電阻R與腳VS相連。DSENSE用于連接外部的熱敏電阻檢測LED溫度，保護IED。雖然 MLXl0801芯片內部具有內置熱敏電阻，但是，為了保證芯片與LED相距較遠時仍能夠正確檢測到溫度，MIX10801仍然設置了腳DSENSE來實現遠距離溫度的檢測。腳CALIB用來與控制器通訊，用于接受控制器設定LED的電流、允許最高溫度、采用內部溫度檢測還是外部溫度檢測、是否防抖、軟啟動時間等參數。

4.2 大功率LED驅動芯片的比較
    表3所列為當前主要大功率IED驅動控制芯片性能比較，在應用大功率IED驅動控制芯片時，可以依據不同的應用場合進行選擇：
    1)當需要較高功率時可選擇功率器件沒有集成在芯片內的控制器，這樣就可以按照實際的功率需求單獨選擇功率器件；
    2)當需要較高的變換效率時，如便攜式設備等，可選擇開關電源類的驅動電路；
    3)當應用于可靠性高的設備中，可選擇具有溫度保護、故障報警等控制功能全面的芯片。

 
5 結語
    隨著技術的進步，超高亮LED的功率會進一步提高，成本也會降低，高效節能的超高亮LED必將廣泛應用于照明領域。而低成本，高可靠性的驅動電路，是保證LED具有持久亮度的關鍵。