恒流LED驅(qū)動器：經(jīng)濟(jì)高效、可靠、使用方便

LED被廣泛用于各個(gè)細(xì)分市場。盡管高功率LED需要采用復(fù)雜的驅(qū)動方案，但絕大多數(shù)應(yīng)用是使用電流低于500毫安的LED，并可由線性恒流LED驅(qū)動器驅(qū)動。這些驅(qū)動器使用簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)高效，且不會影響EMC。本文簡要介紹在實(shí)際應(yīng)用中使用恒流LED驅(qū)動器時(shí)應(yīng)考慮哪些設(shè)計(jì)和功率問題。

為了驅(qū)動高性能LED，有多種高端解決方案，使用具有復(fù)雜控制器的升壓-降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這需要深刻理解這些拓?fù)洳拍軇?chuàng)建可靠且符合EMC規(guī)范的設(shè)計(jì)。但是，對于中低功率LED，有一個(gè)非常簡單且強(qiáng)大的驅(qū)動器解決方案，使用恒流LED驅(qū)動器作為一個(gè)簡單的線性穩(wěn)壓器。從功率損耗的角度來看，恒流LED驅(qū)動器并不是理想的選擇，但其出色的EMC性能、可靠性、容易實(shí)現(xiàn)，以及最終顯著的降低系統(tǒng)成本，使其成為驅(qū)動高達(dá)500 mA LED的首選解決方案。本文中提到的以NCR為后綴的驅(qū)動器都可從安世半導(dǎo)體獲得。它們被用于恒定電流源和汽車應(yīng)用，例如內(nèi)飾和外飾燈（例如，門把手、儀表板、數(shù)字鍵盤燈、指示器或尾燈）。

圖1：低端和高端恒流LED驅(qū)動器拓?fù)洌?/p>

圖1所示為使用恒流驅(qū)動器來驅(qū)動LED的基本電路。這種驅(qū)動器內(nèi)部由一個(gè)BJT、兩個(gè)二極管和兩個(gè)電阻組成。采用PNP BJT的恒流驅(qū)動器作為高端驅(qū)動器使用，而采用NPN BJT的恒流驅(qū)動器作為低端驅(qū)動器使用。其中一個(gè)電阻定義最小的輸出電流，另一個(gè)電阻調(diào)節(jié)偏置電壓，對使能特性起重要作用。高端恒流驅(qū)動器具有一個(gè)接地的使能引腳；因此可以通過斷開此引腳來關(guān)閉兩個(gè)驅(qū)動器以及LED。在實(shí)踐中，通過采用配電阻晶體管(RET)（如圖1右所示）或MOSFET來實(shí)現(xiàn)此目的。然而，低端驅(qū)動器需要啟動某些潛在功能。NCRx20x系列驅(qū)動器需要采用一個(gè)電源電壓來使能（如圖1 左所示）。NCRx21x系列驅(qū)動器可在更低電壓（3.3 V）下使能（如圖1 中所示）。此零件從使能引腳獲取1 - 2 mA電流，因此易于被微控制器或邏輯器件的輸出引腳驅(qū)動。這樣非常便于LED的開啟和關(guān)閉，以及使用PWM控制器來簡單調(diào)節(jié)LED燈的明暗。

關(guān)于調(diào)節(jié)明暗的功能，請參見圖2：配備外部6 ?電阻，采用不同開關(guān)頻率時(shí)，NCR321Z的輸出電流的均值與占空比成函數(shù)關(guān)系。該圖展示了占空比與測量的平均輸出電流之間的線性關(guān)系。即使頻率超過建議的10 kHz，這種線性關(guān)系仍然適用。但是，最好采用不超過10 kHz的頻率，以避免EMC問題。

圖2：配備外部6 ?電阻，采用不同開關(guān)頻率時(shí)，NCR321Z的輸出電流的平均值與占空比成函數(shù)關(guān)系。

大部分恒流LED驅(qū)動器的輸出電流都是由外接電阻來調(diào)節(jié)。有些類型的恒流驅(qū)動已經(jīng)調(diào)節(jié)為常用的電流，不需要配有外部電阻，所以可采用3引腳封裝。在可連接外部電阻的應(yīng)用中，外接電阻與內(nèi)部電阻并聯(lián)，從而會降低有效電阻。采用NPN晶體管的低端恒流驅(qū)動器(NCRx2xx系列)配有一個(gè)95 Ω內(nèi)部電阻。通過對測量曲線進(jìn)行分析，得出如下公式，可以估算出外接電阻與輸出電流之間的關(guān)系：

外接電阻的值不能太低，以免超過最大輸出電流。如果外接電阻比內(nèi)部電阻小，則大部分輸出電流將流經(jīng)外部電阻；當(dāng)外部電阻很小，輸出電流會很大，這一點(diǎn)很重要。然而，? W電阻就已足夠，因?yàn)榧词故禽敵鲭娏鳛?50 mA，功率損耗不會超過170 mW。

恒流驅(qū)動器表現(xiàn)出對溫度的負(fù)相關(guān)性。在溫度升高時(shí)，輸出電流會略微下降。但是，輸出電流不會受到加在恒流驅(qū)動器的壓降的影響。由于輸出電流隨溫度升高而降低，所以不存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

加在恒流驅(qū)動器上的最小壓降約為1.4 V。低于此電壓時(shí)，線性調(diào)節(jié)不能正常工作。超過此值時(shí)，恒流驅(qū)動器上的壓降會動態(tài)的調(diào)整，以增強(qiáng)所需的輸出電流。低端和高端配置的恒流驅(qū)動器中，輸出電壓始終按計(jì)算，LED上的電壓，供電電壓。當(dāng)LED的亮度在某種程度上與電源電壓無關(guān)時(shí)，應(yīng)使用恒流LED驅(qū)動器。例如，汽車的12 V電源在正常運(yùn)行時(shí)會在11 V和15 V之間波動。如果已知LED中所需的驅(qū)動電流和壓降，那么最小電源電壓可以由加在驅(qū)動器上的壓降和LED上的電壓之和計(jì)算得出。最大允許電壓由加在驅(qū)動器中的最大允許壓降決定，或者通過來估算的總功耗決定。因此，如果不超過規(guī)格書的限制，則允許的操作范圍可以表示為：

SOT457封裝的恒流驅(qū)動器的一般具有的總功耗。輸出電流為50 mA時(shí)，這與15 V的裕量有關(guān)。安世半導(dǎo)體新推出的SOT223封裝的器件的提高至1.25 W，這將電壓裕量調(diào)高至25 V。

圖3：并聯(lián)使用的兩個(gè)低端驅(qū)動器。

此外，可以通過減小輸出電流來提高電壓裕量。如圖3所示，將兩個(gè)或多個(gè)恒流驅(qū)動器并聯(lián)起來可以切實(shí)讓電流翻倍。使用這種方法，可以驅(qū)動超過單個(gè)驅(qū)動器容限的電流，或者使用低于驅(qū)動器容限的電流來增加電壓裕量。使用兩個(gè)采用SOT223封裝、驅(qū)動容限為250 mA的恒流驅(qū)動器，可以使電路驅(qū)動500 mA LED，其電壓裕量為5 V。并聯(lián)驅(qū)動恒定電流驅(qū)動器時(shí)，外部電阻的精度是最重要的影響單個(gè)驅(qū)動器輸出電流對稱性的因素。圖4描述了采用SOT457和SOT223封裝時(shí)，電壓裕量與單個(gè)和并聯(lián)驅(qū)動器的輸出電流的對應(yīng)關(guān)系。

圖4：采用SOT457和SOT223封裝的單個(gè)和并聯(lián)驅(qū)動器的電壓裕量。

圖5：采用SOT457和SOT223封裝的安世半導(dǎo)體LED驅(qū)動器(NCRx2xx)

綜上所述，恒流LED驅(qū)動器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且易于實(shí)施的驅(qū)動中低功率LED的解決方案。使用更高的封裝會直接轉(zhuǎn)化為更高的電源電壓裕量，而且并聯(lián)驅(qū)動器可用于提升驅(qū)動電流能力。