LED驱动设计技巧及应用方案集锦

　　对于新手来讲，LED驱动设计并不是一件容易的事儿，针对这方面问题，小编特别总结了设计达人的一些在工作中需要注意的问题和亲身的设计心得进行分享。

　　不要使用双极型功率器件

　 　由于双极型功率器件比便宜，一般是2美分左右一个，所以一些设计师为了降低LED驱动成本而使用双极型功率器件，这样会严重影响电路的可靠性， 因为随着LED驱动电路板温度的提升，双极型器件的有效工作范围会迅速缩小，这样会导致器件在温度上升时故障从而影响 LED灯具的可靠性，正确的做法是要选用MOSFET器件，MOSFET器件的使用寿命要远远长于双极型器件。

　　尽量不要使用电解

　 　LED 驱动电路中到底要不要使用电解电容？目前有支持者也有反对者，支持者认为如果可以将电路板温度控制好，依次达成延长电解电容寿命的目的，例如选用105度 寿命为8000小时的高温电解电容，根据通行的电解电容寿命估算公式“温度每降低10度，寿命增加一倍”，那么它在95度环境下工作寿命为一万六千个小 时，在85度环境下工作寿命为三万两千个小时，在75度环境下工作寿命为六万四千个小时，假如实际工作温度更低，那么寿命会更长！由此看来，只要选用高品 质的电解电容对驱动电源的寿命是没有什么影响的！

　　还有的支持者认为由无电解电容带来的高纹波电流而导致的低频闪烁会对某些人眼造成生理 上的不适，幅度大的低频纹波也会导致一些数码像机设备出现差频闪烁的亮暗栅格。所以，高品质光源灯具还是需要电解电容的。不过反对者则认为电解电容会自然 老化，另外，LED灯具的温度极难控制，所以电解电容的寿命必然会减少，从而影响LED灯具的寿命。

　　对此，资深工程师认为在LED驱动 电路输入部分可以考虑不用电解电容，实际上使用PI的LinkSwitch-PH就可以省去电解电容，PI的单级PFC/恒流设计可以让设计师省去大容量 电容，在输出电路中，可以用高耐压陶瓷电容来代替电解电容从而提升可靠性，在设计两级电路的时候，输出采用了一个400V的电解电容，这会严重影响电路的 可靠性，建议采用单级电路用陶瓷电容就可以了。对于不太关注调光功能、高温环境及需要高可靠性的工业应用来说，建议不采用电解电容进行设计。

　　MOSFET的耐压不要低于700V

　 　耐压600V的MOSFET比较便宜，很多认为LED灯具的输入电压一般是220V，所以耐压600V足够了，但是很多时候电路电压会到340V，在有 的时候，600V的MOSFET很容易被击穿，从而影响了LED灯具的寿命，实际上选用600VMOSFET可能节省了一些成本但是付出的却是整个电路板 的代价，所以，不要选用600V耐压的MOSFET，最好选用耐压超过700V的MOSFET。

　　尽量使用单级架构电路

　 　有些LED电路采用了两级架构，即PFC（功率因数校正）+隔离DC/DC变换器的架构，这样的设计会降低电路的效率。例如，如果PFC的效率是 95%，而DC/DC部分的效率是88%，则整个电路的效率会降低到83.6%！“PI的LinkSwitch-PH器件同时将PFC /CC控制器、一个725VMOSFET和MOSFET驱动器集成到单个封装中，将驱动电路的效率提升到87%，这样的器件可大大简化电路板布局设计，最 多能省去传统隔离反激式设计中所用的25个元件！省去的元件包括高压大容量电解电容和光耦器。LED两级架构适用于必须使用第二个恒流驱动电路才能使 PFC驱动LED恒流的旧式驱动器。这些设计已经过时，不再具有成本效益，因此在大多数情况下都最好采用单级设计。

　　尽量使用MOSFET器件

　 　如果设计的LED灯具功率不是很高，建议使用集成了MOSFET的LED驱动器产品，因为这样做的好处是集成MOSFET的导通少，产生的热量要比分立 的少，另外，就是集成的MOSFET是控制器和FET在一起，一般都有过热关断功能，在MOSFET过热时会自动关断电路达到保护LED灯具的目的，这对 LED灯具非常重要，因为LED灯具一般很小巧且难以进行空气。

安森美半导体中高功率照明LED驱动器方案

 

　　LED的诸多优点已经使其逐步取代白炽灯、荧光灯等传统光源，在小功率应用上越来越多地出现在我们日常工作生活中，而在我们传统定义的20至 400瓦的中高功率照明范围内，荧光灯、高强度气体放电灯还是主流。但随着大功率LED产品的不断推陈出新，模块化的LED灯条、大阵列LED等产品的出 现，公路、体育馆、户外大型设施等需要大功率照明的应用场景中也越来越多出现LED产品的身影。

　　LED照明电路相对设计简单、 能集成控制、可方便实现调光、能有效降低电力消耗，所以在强调智能、绿色照明的今天，中高功率LED产品逐步替代高强度气体放电灯（HID）等传统光源已 经是大势所趋。但我们也看到模块化的LED灯条和阵列对电源驱动的要求不尽相同，如何为中高功率LED照明产品提供可靠、高效、灵活的驱动电源方案是设计 人员常面临的挑战。安森美半导体积极推动高能效创新，充分利用在电源领域的丰富经验，提供应用于LED照明不同的领域。而针对中大功率LED照明应用的不 同需求，安森美半导体提供功率因数校正（PFC）控制器、准谐振及固定频率的反激控制器和开关稳压器、集成MOS的降压控制器、半桥驱动及LLC控制器、 次级端控制器、集成PFC及PWM的组合控制器等多种控制器及其方案等，以满足不同电路拓扑设计的不同需求。

　　单段式功率因数校正（PFC）方案

　 　功率因数校正（PFC）可有效改善高谐波分量给电源线、断路开关、电力设施带来的压力。PFC控制器一般可以分为单段式和多段式（常见两段式）两种结 构。单段式（如图1所示）可直接电流驱动，只需单个开关及磁性元件，缺点则是100/120Hz纹波，MOSFET应力更大，占空比更大，功率限制在 100-150W。

　　

　　图1.单段式PFC结构示意图

　 　典型的单段式PFC LED驱动方案有如安森美半导体的NCL30000。这器件使用临界导电模式（CrM）反激架构，以单段式拓扑结构提供高功率因数设计。安森美半导体基于 NCL30000构建的25 W高功率因数单段式LED驱动器参考设计接受90-305Vac宽输入电压范围，能效高于87%，输入电流总谐波失真（THD）小于15%，功率因数 （PF）大于0.97，输出功率25W（Vf=36Vdc），LED电流700mA±4%，最大LED电压44Vdc。安森美半导体还推出了单段式连续电 流模式（CCM） PFC LED驱动器NCL30001，可以配置为恒流驱动器或固定输出电压驱动器，适合40W到150W LED照明设计。

　　两段式PFC + DC-DC转换方案

　 　除了上述单段式方案，设计人员还可以根据应用需求选择传统的两段式（PFC段+DC-DC转换段）方案（如图2所示）。前段PFC的功能一方面实现输入 电流整形以减小输入电流谐波，另一方面将输入交流电压转换为稳定的直流电压（变化范围一般为380V-400V），后段的DC-DC转换器实现隔离和变 换，将稳定直流电压变换为所需要的电压，通常可以用反激、LLC或者降压实现，其优点是易于扩展功率和尺寸，易于提供次级端偏置电源，但相应会带来成本上 的提升。

　　

　　图2.两段式PFC结构示意图

　 　具体而言，两段式方案中的PFC段可选用的控制器包括NCP1605、NCP1611/ NCP1612/ NCP1615、NCP1631、MC33262/NCP1607/NCP1608、NCP1653/ NCP1654、NCP1652A/ NCL30001等等。

　　其中，NCP1605是增强型高压、高能效待机模式功率因数控制器，工作在固定频率非连续导电模式（DCM）和/或临界导电模式（CrM）。NCP1605能够作为PFC主控端工作，确保电源的第二段仅在安全条件下启动。它集成跳周期功能，将待机损耗降到最低。

　　NCP1631则是安森美半导体推出的一款单芯片2相交错式PFC控制器，可以替代2颗NCP1601，驱动2个PFC支路，提供接近1的高功率因数。

　 　采用传统的CrM/BCM控制时，负载减少时开关频率上升，轻载时控制器可能进入“突发的调频模式”，产生噪声；采用电流控制频率反走（CCFF）控制 时，负载减小时开关频率减小，降低噪声，轻载时控制器频率较低，可在高于可听频带的频率钳位，极轻载时采用跳周期模式工作，可以关闭以提升更好的THD， 谷底导通进一步提升能效，减小电磁干扰（EMI）（如图3所示）。NCP1611/NCP1612基于创新的CCFF架构，在PFC电感电流超过设定值 时，电路通常工作在临界导电模式（CrM），而当电流低于预设值时，将开关频率线性降低至约20 kHz，此时电流为零。NCP1615同样基于CCFF架构，当电流在预设水平以下时，NCP1615芯片的控制频率会线性衰减到26KHz。

　　

　　图3. 电流控制频率反走（CCFF）架构原理说明

　 　对于两段式方案而言，在高压DC-DC次级段，单开关反激架构（图4所示）能效高，设计简单，但功率设计通常小于100W。安森美半导体作为业内领先的 固定频率及准谐振（QR）控制方案供应商，提供的准谐振固定频率反激控制芯片具备高压启动、QR谷底锁定、强固的故障保护、宽产品系列（控制器最低6个引 脚）等特点。从业内率先推出第一代高压准谐振反激控制芯片NCP1207/NCP1308，到第二代提供更多保护功能的NCP1337/NCP1338， 再到第三代轻载能效大幅提升的NCP1380，直到最新的第四代改善空载能耗的NCP1339，安森美半导体一直都在不断努力，开发更多满足客户更宽需求 的芯片产品。

　　

　　图4.高压DC-DC次级端反激拓扑示意图

　 　而相对于其他谐振拓扑，LLC串联谐振转换器（图5所示）则能够在相对宽的输入电压及输出负责范围下工作；所需元器件数量则更少，谐振储能元件能够集成 到单个变压器中；初级端开关在所有额定负载条件下能实现零电压开关（ZVS）；次级端二极管能够实现零电流开关（ZCS），没有反向恢复损耗，所以作为一 种高性价比、高能效及低EMI方案，常用于高输出电压的应用中。

　　NCP1398作为第五代高性能LLC串联谐振控制器，工作频率可以从 50kHz高至750kHz，可调节最小开关频率精度达到±3%，可调节死区时间，带外部可调节软启动，精密及高阻抗输入欠压保护，用于过温或过压等严重 故障条件下闩锁输入脚，基于定时器的可自动恢复过流保护，闩锁输出短路保护，on/off控制关闭输入脚，跳周期模式，带可调节迟滞，Vcc工作电压达 20V，共集电极光耦连接，简化Oring控制，内置过温关闭，600V半桥驱动器，带1A/0.5A汲/源驱动能力，NCP1398B还提供反馈环路开 路保护。

　　

　　图5.高压DC-DC次级端LLC串联谐振示意图

　　组合控制器方案

　 　NCL30051是一款PFC及谐振半桥组合控制器，这器件集成了一个CrMPFC控制器及一个半桥谐振控制器，并内置600 V驱动器，针对离线电源应用进行了优化，采用SOIC16封装，具备了所有实现高能效、小外形设计所需的特性。相比传统途径的CrM PFC+LLC通过改变LLC频率来控制功率，NCL30051则是改变PFC大电容电压来控制功率，局限在于大电容电压的动态范围，优点则是简化了固定 电压LED驱动器设计。

　　总结

　　LED照明正快速演变，新的驱动方案需要能够配合市 场上最新的LED应用；同时为提升能效及降低系统总成本，拓扑结构的选择也在演变。为满足中高功率LED照明驱动的需求，安森美半导体提供了阵容广博、相 辅相成的方案，包括单段式PFC方案，以及PFC+DC-DC转换的两段式方案，满足不同的中大功率LED照明应用的需求。

汽车电子应用中的LED驱动方案设计参考

　　目前，越来越多的汽车电子系统应用照明设计师正在采用LED照明满足实用和美观的用途。众所周知，LED适用于各种汽车照明元件，例如大灯、白天行车灯、雾灯、转向信号灯、内部照明、资讯娱乐的背光照明，以及组合尾灯（RCL）和高位制动灯（CHMSL）。

　 　在建立LED供电的电子驱动解决方案时，需要考虑两个主要的DC/DC电源类别，分别是线性稳压器和开关稳压器。线性稳压器具有减少零部件数和降低电磁 干扰（EMI）的优点，但在效率和热耗方面有严重的弊端。因此，开关稳压器是很多设计师的驱动解决方案首选。直流电源和需要的LED数目与类型决定了 LED驱动器的拓扑结构选择。如果电源电压超出总LED电压，就需要降压转换器。如果LED组的电压超出电源电压，就需要升压转换器。最后，根据具体的条 件，LED电压可能高于或低于电源电压，这样，就应该采用降压/升压或单端初级电感转换器（SEPIC）等电源拓扑技术。

　　在设计照明系 统时，除了LED供电外，还需要考虑很多因素。LED电路设计的另一项主要考虑因素是热管理。LED驱动器集成电路改进热性能的一种方式是通过控制LED 正向电流，LED正向电流是关于温度的函数。这可以通过使用外部电流来感应温度和控制对LED的电流供应来实现，但更高效的解决方案是利用具有必要内置功 能的集成电路。

　　美国国家半导体的产品包含可实现多种拓扑结构的众多开关稳压器集成电路。此外，美国国家半导体专为LED应用开发了一系列集成电路，其中很多具有适合汽车电子系统应用的功能。本文将探讨几个汽车电子系统大灯驱动的应用示例。

　　使用升压稳压器的大灯示例

　 　LED正越来越多地用于汽车大灯及其他前视照明系统。典型的大灯应用可能使用以多种方式排列的10个白色LED。对于各LED最大VF为4V的情况，如 果设计师希望使用在一个灯组中串联全部LED的拓扑结构，将需要设置DC/DC 级来驱动LED。在这种情况下，可以对标称12V~14VDC电源总线使用单个升压开关功率级。

　 　美国国家半导体研发的多种集成电路正是符合这种应用要求，例如LM342x系列：LM3421、LM3423、LM3424和LM3429部件。此系列 集成电路包含多种多用途部件，可用作升压、降压、降压/升压或SEPIC拓扑结构中低侧外部MOSFET的控制器。LM3421、LM3423和 LM3429部件都使用峰值电流模式控制器和预测性关闭时间设计来调节LED电流。峰值电流模式控制器与预测性关闭时间设计的组合简化了回路补偿设计，同 时提供内在的输入电压前馈补偿。LM3429是系列中的基本部件，是优化了成本和尺寸特点的控制器解决方案。LM3421增设了用于控制外部调光FET和 系统“零电流”关闭特点的集成驱动器。LM3423 进一步增加了LED状态输出标记、故障标记、可编程故障计时器和逻辑针脚，用于控制调光驱动器的极性。最后，LM3424与LM3421类似，但使用标准 峰值电流模式控制器。LM3424还具有对开关频率编程的功能，或通过可编程斜率补偿、软启动和LED电流热返送功能使开关频率与外部来源同步。

　 　LM342x 系列使用控制器集成电路实现所需功能和总体系统设计的最大灵活性。图1以LM3421为例，显示升压配置中使用LM342x系列驱动LED灯组的一个示 例。LM342x拓扑结构的一个主要特点是在LED高侧进行电流感应，允许灯组中的最后LED的阴极局部在底盘接地，并使感应电压可以差分地馈送回集成电 路。这是一个重要的优点，因为使LED灯组和驱动器集成电路可以彼此分离。

　　

　　图1 使用LM3421的升压稳压器驱动10个LED

　　使用热返送升压稳压器的大灯示例

　 　LED制造商通常在数据表中包含显示LED最大允许正向电流和温度的图线，以确保部件的可靠性，这也称为安全工作区（SOA）。 LED的最大电流额定值在较低温度测得，但在超出特定温度后，最大允许电流值降低。由于LED系统的首要设计要素是适当的散热和通风，因此很多应用需要考 虑不可预测的状况，即使最佳的热设计也可能无法预防这些状况。例如大灯组件被污泥或其他碎屑堵塞的情况。由于对车辆的安全操作至关重要，因此在此类情况 下，需要保持LED在较低操作点正常照明，同时使电流保持在安全工作区，以预防照明系统的灾难性故障。

　　为了实现根据温度调节LED电流 的目标，可以使用多种不同的方法。一种方法是构建温度感应电路，用于驱动LED驱动器集成电路的模拟电流调节针脚。更简单的解决方法是使用LM3424等 具有内置热返送（TFB）功能的LED驱动器集成电路。图2显示了LM3424热返送功能所需的外部零部件示例。

　　

　　图2 LM3424热返送电路

　 　使用LM3424驱动LED和执行热电流控制具有多项优点。首先，不需要在外部配备大部分复杂的部件（例如多个运算放大器），因为这些在集成电路中已集 成。在最简单的配置中，实现热返送只需要少量标准电阻器和负温度系数（NTC）热敏电阻。如果需要更高的精度，设计师可以使用LM94022等精确温度传 感器替换RBIAS和RNTC。此外，LM3424使用户可以设置LED电流开始热返送的温度（TBK，通过RREF1，2、RBIAS和RNTC设置） 和电流返送的斜率（通过RGAIN 设置）。这使设计师可以使用少量外部部件精确重现制造商数据表中提供的电流额定值下降曲线，同时提高随温度变化表现出的性能，如图3所示。

　　

　　图3 随温度变化的额定值下降曲线示例

　 　如图2使用LM3424所示，集成电路将在到达某温度时返送LED电流，此时，LED电流为零。这与LED作为系统中主要热发生器的情况不同。对于大灯 组件等应用，设计师可能想要设置一项安全功能，即使LED可能在超出安全工作区的条件下工作，也始终能够提供光输出。对于此类情况，LED电流与温度曲线 将如图4中示例所示。虽然LM3424 没有这项内置功能，但这可以使用外部箝位电路轻松实现，并且防止TSENSE针脚上的电压低于预规定值。

　　

　　图4 随温度变化的额定值下降曲线示例（最低值非零）

　　使用SEPIC稳压器的大灯示例

　 　虽然汽车电气系统通常在12V~14VDC条件下工作，但在特殊情况下，向系统部件的供电电压可能超出或低于正常工作值范围。例如，在冷启动情况下，系 统供电可能为4.5V或更低，在负载突降状况下，电压可能在40V到60V之间。如果在这些特殊情况下仍需要LED工作或保护，设计师可能希望选择可提供 恒定LED电流的功率级，而不管电源电压与LED组电压的关系如何。一种采用SEPIC的开关稳压器可以执行升压和降压操作，如图 5所示。

　　

　　图5 SEPIC转换器基本拓扑结构

　 　SEPIC转换器的效率可能不如降压或升压转换器，但拓扑结构具有多项优点。除了具有升压和降压功能外，另一项尤其适用于汽车电子系统应用的优点是 CSEPIC电容器提供了输入和输出之间的隔离。SEPIC转换器的不足是需要两个电感器，但两个电感器可以轻松地缠绕在同个芯上，而不是作为两个分立的 部件。图6显示同样使用LM3421控制器的应用电路示例。

　　

　　图6 SEPIC配置中的LM3421

　　使用串联/并联LED的组合尾灯

　 　另一个常见的照明应用是尾灯/闪光灯组件，也被称为组合尾灯（RCL）。对于在12V~14V直流电源供电中具有3V典型正向电压（VF）的LED来 说，一个可能的解决方案是使用降压开关稳压器。由于最低值为12V，因此只允许3个LED串联。可以采用图7所示的串联/并联组合，因为在一个串联灯组中 所有必备的LED的总电压将超过12V。

　　

　　图7 串联/并联阵列

　 　对于此应用的调光和闪光部分，可以使用多种方法降低向 LED阵列提供的功率。最常用的一种方法是脉宽调制（PWM）调光，这种方法通常使用专门的逻辑信号高速开启和关闭LED以控制总体光输出。这种方法简单 有效，但可能极少用于汽车电子系统应用，因为在线束中需要一根额外的线路用于调光信号。另一种方法称为双线调光，向LED驱动器提供的电源定期中断以控制 调光。1.5A整体式开关稳压器LM3406具有此功能，其真实电流平均值实现更严密的光输出控制。集成的N通道MOSFET不提供控制器集成电路具有的 灵活性，因此降低了板上的复杂性。图8显示了使用双线调光方法的LM3406应用示例。

　　

　　图8 双线调光的LM3406配置

　 　LM3406包含输入电压感应针脚 （VINS）使照明设计师可以鱼和熊掌兼得，因为他们可以实现标准PWM调光的优点，同时降低系统接线复杂性（照明部件距离控制电路较远）。阻挡二极管 D2允许输入电容器CIN保持与LM3406的连接，这与非双线调光设置相同，因此使LM3406在调光阶段可以保持完全供电。这比简单的开启和关闭零部 件来实现调光更为高效，因为LM3406的所有内部支持电路在调光过程中保持通电。因此，部件可以立即进入调光阶段，集成电路没有恢复和运行延时。这样， 在双线调光设置中，LM3406的工作方式与输出控制中使用逻辑调光针脚的方式相同。标准PWM设置需要的附加部件只有阻挡二极管D2、VINS下拉电阻 器RPD和用于实现理想斩波开关S1的部件。

　　使用串联LED和升压/降压稳压器组合的RCL示例

　 　在并联灯组阵列中，配置 LED通过允许LED功率级在12V~14V轨道下直接运行，极大地简化系统设计，但并联/串联组合也同样具有一些缺点。在查看LED制造商数据表时，可 以注意到两个重要的事实：LED的光输出与流经的电流成正比，LED的动态电阻随着VF而变化。制造商按VF、光通量和颜色（或色温）对LED分级。例 如，典型的VF级别可能包含范围从3.27V到3.51V（25℃时）的LED，所有级别的整个范围可以从2.8V到4.2V。由于LED制造商通常向客 户销售多个级别的LED，关注成本的设计师依赖所有LED都具有紧密VF分布是不实际的。

　　下例显示了VF变化的影响。在实验中，使用图9 所示两种设置收集数据。一种设置用于4个LED（每个LED都具有专门的电流源），另一种设置用于并联的4个LED（共享一个电流源）。表1所示数据在 25℃加电后5秒内测得，以最大限度降低LED自发热的影响。

　　

　　图9 实验性设置

　　表1多电流源设置（左）和单电流源设置（右）的数据

　　

　 　从这些数据可以明显看出LEDVF变化在并联运行时将导致不均匀电流分布。即使对于分级的LED，也可以看到类似的影响，并联阵列中各串联灯组的电流分 布不均。改进并联灯组间电流分布的一种方式是向各灯组增加镇流电阻器。这有助于使电流分布均匀化，但存在的主要问题是由于镇流电阻器的功耗而降低了效率。

　 　根据具体的设计，上述问题的影响可能可以忽略。但是，如果系统设计师对上述影响存有顾虑，可以采用单个串联灯组作为首选拓扑结构。在这种解决方法中，仍 可以使用LM3406等部件，但将增大系统复杂性，因为需要新前端部件用于传输超出12V~14V的电源电压为LED驱动器供电。然后，LED驱动器降低 此新电压，为单个LED灯组供电。这可以通过在直流电源和LM3406 之间增加升压DC/DC功率级轻松实现，如图10所示。通过此拓扑结构，串联灯组中的所有LED均具有相同的电流，无论各LED的VF值是多少。

　　

　　图10 升压和降压组合

　 　还需要注意的一个问题是为什么应包含降压功率级，而不是直接使用升压稳压器运行LED。这两种拓扑结构之间的重要区别是输出电容器：升压稳压器需要输出 电容器，而降压稳压器可以使用或不使用输出电容器操作。如果设置中使用输出电容器，即使在稳压器已进入调光模式并停止向LED供电后，仍可以为LED输送 电流一段时间。因此，在LED输出实际停止前，还需要额外的时间使输出电容器放电。在LED组中使用串联开关仍可以实现有效调光，但这需要附加的调光 FET以及更复杂的驱动器集成电路和/或增加外部部件。

　　除了调光复杂性以外，升压稳压器还存在其他LED驱动难题。升压稳压器本身无法 保护LED免受负载突降时产生的高线路电压影响。在升压/降压拓扑结构中，降压稳压器可以承受高电压，而不会发生损坏甚至中断正常工作。升压稳压器还易受 到开路（使VO的上升不受约束）和短路（在VO低于VIN时，IO失去控制）影响。最后，由于输出电流是关于升压转换器占空比的函数，因此必须感应电感器 电流和LED电流，这也导致了驱动器的复杂性增加。

　　总结

　　本文探讨了多个汽车电子系统应用示例及相应的开关电源拓扑结构和兼容的美国国家半导体集成电路，其中，很多LED驱动器集成电路都非常适合汽车电子系统设计师进行高效设计。

恒照度自适应调光的LED驱动器设计

 

　　本文针对传统照明能效低、耗电量大等问题，设计了LED恒照度调光驱动器。系统使用恒流LED控制芯片NCL30160作为LED光源驱动电 路，采用TSL2561光照度传感器采集室内光照度，通过处理器相应算法进行闭环控制，实现室内的恒照度调光。该算法实现了PWM波形平滑变化，避免因 PWM突变造成闪光。同时，系统增加了人体运动控制，实现无人、有人时的不同调光方案，使设计进一步节能和智能化。

　　1 系统简介及工作原理

　 　系统由PIC16F690单片机、 TSL2561光照度传感器、LED光源和LED驱动电路4部分组成。由于LED的亮度与工作电流成正比，故调节工作电流即可调节LED的发光亮度。目前 主要有调节正向电流和脉冲调制调光两种调光方法。由于脉宽调制调光具有不会产生任何色彩偏移、调光精度高、结合数字技术调光、调光范围宽、不闪烁等优点， 故本文选用脉冲调制调光。

　　系统主要由TSL2561采集光照度反馈给PIC16F690处理芯片，经过PIC16F690进行相应的算法处理，输出随光照度规律变化的PWM波形，经过带有PWM接口的驱动电路驱动LED灯从而实现调光。系统框图如图1所示。

　　

　　图1 恒照度调光的LED驱动器系统框图

　　同时，在本系统中加入了人体运动控制以及按键控制，能够检测人体运动，实现在无人时自动关闭LED灯，进一步减少电能浪费;按键能够调节PWM波形的频率以及设定环境最大光照度，使系统更为人性化。

　　1.1 PIC16F690单片机

　　PIC16F690单片机具有高性能的RISC CPU、低功耗以及丰富的外设资源，能够满足本系统的硬件资源需求。由于该款单片机资源丰富，既满足系统需求，又不十分浪费资源，故降低了控制器成本。

　　1.2 TSL2561光照度传感器

　　TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该芯片的应用能够提供最好的显示亮度并降低电源功耗。TSL2561具有以下几个特点：

　　①可编程配置许可的光强度上下阈值，当检测光照度超过阈值时能产生中断信号;

　　②数字输出符合标准的SMBus和I2C总线协议;

　　③可编程控制模拟增益和数字输出时间;

　　④超小封装和超低功耗;

　　⑤自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动。

　 　TSL2561 的内部结构如图2所示。其内部有两个光敏二极管通道，即通道0和通道1，其中通道0对可见光和红外线都敏感，通道1仅对红外线敏感。流过光敏二极管的电流 经过积分式A/D转换器转换为数字量，转换完后将数字量存入芯片内部的寄存器中。积分式A/D转换器将在一个积分周期完成后自动进行积分转换过程。 TSL2561可以通过对其内部16个寄存器设定来控制，该16个寄存器可通过标准的SMBus或者I2C总线协议访问。

　　

　　图2 TSL2561的内部结构

　　2 硬件设计

　　2.1 控制电路设计

　　控制电路主要由PIC16F690的最小系统组成，包括复位电路、输入按键电路、下载调试电路、供电电路、晶振电路以及相应的信号输入/输出接口。

　　由于本系统的研究重点在于调光算法，且系统属于小功率，故供电电路采用简单实用的阻容电路。芯片供电电压为3.3 V，采用ASM1117稳压芯片。

　　下载调试电路根据微芯公司提供的资料，采用微芯集成仿真器ICD3，接口电路根据官方资料设计。复位电路以及晶振电路按照常用电路设计。总体硬件框图如图3所示。

　　

　　图3 总体硬件框图

　　2.2 驱动电路设计

　 　图 4为基于恒流LED控制芯片NCL30160的LED驱动电路。NCL30160是安森美半导体推出的一款NFET迟滞降压、恒流LED驱动器。它将电流 提升到了1.5 A，是新一代高能效的解决方案，损耗非常低，体积很小，可最大限度地减少空间和成本。通过利用仅55 mΩ的低导通阻抗内部MOSFET及以100%占空比工作的能力，能够提供能效高达98%的方案。最高1.4 MHz的高开关频率使设计人员可采用更小的外部元件，将电路板尺寸减至最小及成本降至最低。

　　

　　图4 驱动电路图

　　根据NCL30160的数据手册及输出要求计算外围器件参数。系统采用5颗1 W的LED串联，恒定电流为350 mA。

　　R1=200 mV/ILED=200 mV/350 mA≈0.56 Ω （1）

　　式中，ILED为LED灯串电流。图4中的C5采用官方数据手册推荐的取值。电感L1及ROT由式（2）～（4）得到。式中，toff、ton、△I、RDS（oN）的取值参考数据手册;VIN在此处取为24 V，DCRL为电感电阻，此处取为0 Ω。

　　

　　3 软件设计

　　软件设计包括主程序设计、I2C总线通信程序设计、调光算法设计，以及运动控制和按键输入程序设计4部分，是实现系统智能化控制的核心。

　　3.1 主程序设计

　　图5为主程序流程图。主程序的作用是选择是否改变PWM频率及照度上限、无人模式和有人调光模式。恒照度算法在定时中断处理程序中实现。

　　

　　图5 主程序流程图

　　3.2 调光算法设计

　 　调光算法主要实现光照度信号的采集、数据处理运算并通过相应的算法实现实时跟踪补偿照度，从而实现平滑调光。TSL2561光照度传感器数字输出符合 I2C 总线标准协议，实现光照度采集必须实现TSL2561通信。I2C总线标准协议的读写方法主要有硬件实现和软件模拟，由于PIC16F690控制器没有自 带的I2C总线接口，故本文采用软件模拟实现的方法。

　　采集进来的数据经过TSL2561标准规定的数据计算后获得光照度，将采集进来的 室内光照度与设定的标准值比较，计算出LED需要补偿的照度值，并转化为处理器内PWM寄存器的值，记为当前PWM值。将前PWM寄存器值记为 PWM原值。将PWM原值与当前PWM值不断比较递增或递减，使PWM输出以极小的步长跟踪当前PWM值，从而实现平滑调光。此算法还能解决启动跳变问 题，使系统启动时PWM由零慢慢变化到当前PWM值。调光算法程序流程图如图6所示。

　　

　　图6 调光算法程序流程图

　　3.3 运动控制和按键输入程序设计

　　运动控制采用红外热电释人体运动传感器，能够检测室内是否有人，通过判断人体的活动情况选择相应的照明模式。若有人则选择调光模式，若无人则关闭LED灯，进一步节能。

　 　按键输入主要有模式切换键及增减键，模式切换键主要用于切换改变频率或者改变光照度的最大设定值。考虑到单片机的硬件资源和合理的调光需求，时钟预分频 比设定为4，频率变化范围为10～100 kHz，光照度最大设定值根据多次测量各时间段的光照度选取合适的调节范围，故光照度最大设定值范围为350～500。

　　4 实验结果

　 　本实验使用TSL2561光照度传感器、控制电路、驱动电路。LED负载为5颗1 W的LED串联，恒定电流为350 mA。系统的工作状态可分为有人和无人，当传感器检测为无人时，PWM输出关闭，此时LED灯串熄灭;反之，则根据室内光照度自动调节LED灯串的亮度。 由于实验条件限制，室内光照度改由遮光窗帘遮挡窗户强光来实现。如果系统数据和波形与理论分析一致，则说明系统设计正确。理论计算公式如下：

　　

　　式中，LUXF为反馈回来的光照度值。

　　

　 　表 1是在多云天气条件下测得的实验数据。系统根据不同的室内照度，调节PWM输出波形从而改变LED光亮度。由于室内照度计探头位置放置和TSL2561传 感器有一定的偏差，故数据存在一定的误差。即在有人时，根据式（5）计算PWM占空比与示波器显示波形基本吻合;无人时，无论室内光照度值是多少，PWM 占空比均为零，LED不照明。将实验数据与理论值进行比较，考虑一定误差的情况下，基本吻合。输出部分PWM波形如图7所示，分别为室内光照为22.82 lx和317.08 lx时的PWM波形。

　　结语

　　通过实验证明，系统按照程序设计，能够很好地进行恒照度控制;运动控制在无人时自动关闭，一旦检测到有人活动时，马上进行恒照度控制。同时系统设置了调节调光频率和最大光照度值，能够根据不同要求做适当的改变。恒照度自适应调光和人体运动控制有效实现了节能要求。

一种长寿命LED驱动电路设计方案

　　本文主要针对现有LED驱动电路因存在电解电容而缩短其寿命的缺点，提出了一种无电解电容的LED驱动电路的设计方案。该方案以延长电路使用寿 命为主题，以开关电源与线性电源相互结合为基础，扬长避短充分利用各自的优势，因为开关电源具有高效率的能量变换的特点而线性电源具有无输出纹波的特点， 本设计方案充分利用其各自的优势来替代电解电容滤波，有效的解决了现有 LED驱动电路存在寿命短的问题。这款LED驱动电路无大容量电解电容，小型电容可以采用长寿命的薄膜电容等容性元件，使其具有寿命长、效率高、纹波电流 小特点，并且具有较高的安全性和稳定性。

　　1.前言

　　LED（发光二极管） 为新一代的绿色照明光源，具有节能、环保、高亮度、长寿命等诸多优点。它不仅是照明光源的新宠，也与人们的生活戚戚相关。因此，研制长寿命的驱动电源，构 建高效率、低成本、高功率因数和是LED灯发光品质和整体性能的关键，也是 LED照明技术发展的需要。据不完全统计现有的白炽灯泡寿命比LED灯少约40倍。因为发光二级管不仅是直流电流驱动器件，也是光电转换器，有将光电转换 的功能。它的作用主要是通过流动电流，将电能转变为光能，所以其优势是比一般的光源的节能效率和工作寿命都要高。但是，在LED驱动电源的整流电路和滤波 电路中一般需要使用大容量的电解电容。电解电容器的寿命一般为l05℃/2000h，就是说当电容周围温度升高到105℃时其寿命只有84天，即使工作在 温度为85℃的环境中，使用寿命也仅为332天，所以电解电容是阻碍LED驱动电路寿命的主要原因。为了提高驱动电源的寿命，有必要去掉电解电容，为此文 中提出一种无电解电容的高亮度LED驱动电源。

　　2.LED驱动电路的工作原理

　　本设计方案电路的总体框图如图1所示：

　　

　　电路拓扑采用反激式拓扑电路、利用PWM控制开关频率，使其输出恒定的电流和电压，驱动LED灯。主要包括：前级保护电路、EMI滤波电路、整流电路、RCD钳位电路、同步整流电路、功率转换电路、输出滤波电路、反馈电路、控制电路等。

　　为了使电路受电磁干扰较小，将EMI滤波电路接在前级保护电路后，通过它将电路中的高次谐波和电路中的浪涌滤除。

　　在输入整流部分上，分别由桥式整流电路及π型滤波电路构成，因为二极管具有单向导通的特性，所以桥式整流电路可以将交流电转换为单向的直流电，而后在π型滤波电路的作用下，输出稳定直流电压。

　　再由控制电路调节和控制使输出达到设计值，最后经过输出滤波电路，使输出波纹减小变成直流电，最后将直流电输出给LED使用。

　　3.LED驱动电路的具体设计

　　3.1 输入电路的设计

　　本设计电路的指标为：输入交流电压Vin:90-264 VAC/50-60Hz;输出电压Vo:27VDC;输出电流Io:0.68A.

　　如图2所示，输入电路包括安全保险装置、EMI噪声滤波装置、桥式整流电路和π型滤波电路。

　　

　 　如图2所示，为了减少在1MHz的频段内的电磁干扰，由电容C1、C2和电感L1、L2组成了EMI噪声滤波电路。安全保险装置由保险丝和 ZNR组成，当有危害电路的尖峰电流产生的时候，保险丝会迅速切断电路以保护负载；ZNR是浪涌吸收器，当驱动电路的输入端出现静电和浪涌时它会变得阻抗 很高，因此可以保护后面的电路。桥式整流滤波电路，它的作用是将交流电转换成直流电，其后的π型滤波器的作用滤除电路中电压与电流的波纹。

　　3.1.1 EMI滤波器的设计

　　

　　EMI滤波电路图如图3所示，EMI滤波电路在整流桥前，由差模电容CX1和CX2，主要用于衰减差模干扰，其值一般较大。

　　为了减少差模干扰，所以在整流桥后添加由C1、C2和L1组成π型差模滤波器。

　 　EMI滤波电路中的差模电容选用X安规电容，安全等级为X2，其耐压值2500V，其中CX1=0.47uF，CX2=0.01uF.共模电感LX1为 7mH和LX2为1mH.整流桥后π型滤波电路的C1和C2滤波电容选用耐压450V的薄膜电容，其电容值为0.22uF;差模电感L1大小为1mH.

　　

　　从图4中可以看出，当频率高过1KHZ时噪声信号会有明显的下降。可以看出该电路可以有效地降低高频干扰。

　　3.1.2 整流桥二极管的选择

　　整流桥二极管的电压应力为：

　　

　　考虑裕量，选用H D 0 6 （ V R = 6 0 0 V，IFAN=0.8A）。

　　3.2 高频反激变压器的设计

　　3.2.1 变压器的参数的设计

　　（1）使用90Vac输入电压和9串负载做为最差工作条件来设计。

　　

　　3.2.2 变压器的仿真

　　

　　如图5所示，变压器工作在DCM条件下原边与副边的电路电流波形图。从图中可以看出原边电流Ipm与副边电流Ism的值总是在从0开始增加，变压器工作在此状态可以保证能量的基本完全传递。

　　3.3 输出电路的设计

　　

　　如图6所示。输出电路由整流二极管D4，滤波电容C9，C10和稳压管D5组成。

　　3.3.1 输出整流二极管的选择输出整流二极管D4的选择标准：额定电压应大于1.5倍的输入电压，额定电流应当大于2倍的输出电流，反向恢复时间小于100ns.综上所述，D4选择为MB220，其参数为：200mA，100V，trr=50ns.

　　3.3.2 输出电容的选择

　 　如图6所示，C9和C10是输出滤波电容，由于输出负载是LED串，根据LED的伏安特性，LED 正向导通电压的较小的波动，都会导致LED导通电流较大的变动，因此要控制输出的纹波电压，而且在控制环节采用电流补偿和提高开关频率的技术，使得在不增 大纹波电压的情况下适当的减小输出电容值，因此这里选用的是四个22nF/50V的电解电容并联。

　　3.3.3 稳压管的选择

　 　如图6所示，D 5为输出电路中的稳压管，因为当开关关断的瞬间将会有反向电流流过IPD，这种反向电流将会导致器件损坏，所以应在输出电路中添加稳压管。使用的稳压管应 达到指标：I D》2？Io=2×0.68=1.36A，UD》Uo=27V，反向恢复时间trr《100ns.考虑裕量，所以本设计采用的器件为 MB220，其设计的参数为：2A/43V/50ns.，。

　　

　　如图7 所示， 负载的电流波形图为i（p），负载的输出电压波形图为out，从图中可以看出，输出电压稳定在27.8V，输出电流稳定在0.68A.

　　3.4 有源纹波补偿电路的设计

　　3.4.1 有源纹波补偿理论

　 　因为现有的L C滤波电路无法完全滤除纹波，而且电容量小的电容滤波效果更差，所以传统的开关电源输出波纹大，若流过LED的电流纹波过大将不仅影响了LED的光效，而 且影响LED的光衰，特别是电解电容由于它的使用寿命短，从而严重的缩短了开关电源和LED的使用寿命。因此，从研究小电容量入手、以输出纹波小、能量变 换效率高为内容，以使用的安全性和长期性为目的，构建新型驱动电源，是十分重要的和必要的，是当前急需解决的问题，具有一定的科学性和可靠性。

　 　文献［4］在总结主辅补偿电路的基础上，采用线性电源对电感纹波电流进行补偿的方法，其电路结构如图8所示。通过检测电阻R1的电压来检测电感纹波电 流，放大器输出与电感纹波电流反向的补偿电流通过电阻R5将电感纹波电流补偿。该电路通过用电阻匹配来解决纹波电流补偿问题，容易实现；并且省去电解电 容，使得电源的使用寿命能够延长。

　　

　　3.4.2 有源纹波补偿电路的设计与仿真

　　

　　如图9所示，有源纹波补偿电路由三极管，运算放大器A1，A2，和电感电流检测电阻组成。其原理是通过检测电感两端的电流，通过运算放大器A1和A2比较后控制三极管的开关实现电流的补偿。

　　

　　如图10所示，图i（p）为电感输出电流，图i（e）为补偿电流，二者叠加后为输出到二极管的电流。从图中可以看出，经过补偿电路对LED电流的补偿可以有效地减小电流波纹。

　　4.结束语

　 　目前LED驱动电路中，影响驱动电路整体寿命的主要因素是储能电容，所以本设 计采用线性电源抑制输出波纹，达到减小储能电容的电容量的目的，因此可以在不增加输出波纹的情况下采用寿命长的薄膜电容取代电解电容，从而提高LED驱动 电路的整体寿命。从仿真结果来看，采用以有源纹波补偿后，电路运行稳定，各项指标满足要求，这说明此方法能够有效的提高了驱动电路的使用寿命。

飞兆、NXP、TI、安森美四家LED驱动方案大比拼

　　Fairchild

　　Fairchild FL7730 Application Circuit

　　•兼容传统TRAIC调光方式

　　•单级PFC控制，PF 可达 0.92

　　•效率最大到 84%，无需输入大电容及反馈线路

　　•内建 CC/CV，CC mode 具备线电压补偿

　　•输入电压范围：80 to 308VAC，工作电流：5mA

　　•具有开路/短路保护，逐周期限流

　　NXP

　　AC Traic dimming solution

　　SSL2101 /SSL2102

　　•SSL2101/2102 内置 650V power MOSFET

　　•电路架构简单 Flyback or Buck

　　•PCB板可以更小

　　•SLL2101/2102 的输入电压范围：85 to 276VAC

　　•输出电压：9 to25V

　　•输出可调电范围：0mA to 400mA

　　•过电压保护有，保护点：25V

　　•可相容市面上多种AC TRAIC调光器

　　•PF> 0.9

　　•效率> 80%

　　安森美

　　NCL30000

　　•极低的启动电流：24μA，工作电流：2mA.

　　•固定导通时间，CRM 模式控制单元

　　•+500/-800mA 闸极极驱动电流

　　•PF> 0.9

　　•专为CREE的MPL而设计，输出电流450mA，效率达80%

　　•SOIC-8 封装

　　TI

　　LM3447

　　•使用输入电压前回馈技术的初级侧控制

　　•输入功率可调节

　　•固定频率连续导通模式运行

　　•谷值开关实现高效率和低 EMI

　　•热折返功能的LED保护

　　•LED开路和短路保护

　　•低谐波失真