低電流LED應用的線性恒流開關穩(wěn)壓方案

　　憑借著節(jié)能、長使用壽命及色彩組合豐富等優(yōu)勢，LED成為增速最快的半導體領域之一，近年來的年復合增長率(CAGR)高達20%，預計2012年全球LED市場總值更將達114億美元，前景非常可觀。

　　市場上典型的LED驅(qū)動器包括兩類，即線性驅(qū)動器和開關驅(qū)動器；進一步細分，則有三種，分別是開關穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)壓器和電阻型驅(qū)動器。這三種驅(qū)動器分別適合不同等級的電流應用，見圖1。如電流大于500 mA的大電流應用采用開關穩(wěn)壓器，因為線性驅(qū)動器限于自身結(jié)構(gòu)原因，無法提供這樣大的電流；而在電流低于200 mA的低電流應用中，通常采用線性穩(wěn)壓器及電阻型驅(qū)動器；而在200至500 mA的中等電流應用中，既可以采用線性穩(wěn)壓器，也可以采用開關穩(wěn)壓器。　

　　圖1：不同電流范圍所適用的LED驅(qū)動器。

　　開關穩(wěn)壓器的能效高，并提供極佳的亮度控制。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，易于設計，提供穩(wěn)流及過流保護，具有外部電流設定點，且沒有電磁兼容性(EMC)問題。電阻型驅(qū)動器利用電阻這樣的簡單分立器件，限制LED串電流，是一種經(jīng)濟的LED驅(qū)動方案，同樣易于設計，且沒有EMC問題。

　　安森 美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅解決方案供應商，為不同的LED應用提供豐富的開關穩(wěn)壓器及線性穩(wěn)壓器選擇。與此同時，市場上的客戶也需要一種比開關穩(wěn)壓器和普通線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟、但在性能上又比電阻型驅(qū)動高出許多的驅(qū)動方案。在這種情況下，安森美半導體運用正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術，結(jié)合自身超強的工藝控制能力，推出一種新的LED驅(qū)動方案——分立線性恒流穩(wěn)壓器(CCR)，填補了這個市場空隙，并進一步豐富了安森美半導體寬廣的LED驅(qū)動器產(chǎn)品陣容。

　　低電流LED應用及驅(qū)動器比較

　　新的線性恒流穩(wěn)壓器適合20 mA至200 mA的低電流LED應用。如在汽車應用中，組合尾燈的電流要求通常只有數(shù)十毫安(mA)。此外，在廣告牌文字電路、背光顯示牌等商業(yè)及工業(yè)應用中，輸入電壓通常為高至30 Vdc，而LED電流在20 mA至150 mA之間。而在裝飾照明、工作燈、景觀照明、柜臺照明等建筑物及通用照明應用中，輸入電壓通常為12至48 Vac或120/220 Vac，而LED電流也僅在20至100 mA之間。此外，電冰箱和洗衣機等家用電器中也采用LED為小型LCD顯示屏背光或替代照明燈泡，這類應用同樣需要低電流的LED驅(qū)動器。

　　在低電流LED應用中，電阻型驅(qū)動器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡單，但這種驅(qū)動器在低電壓條件下，正向電流較低，會導致LED亮度不足，且在負載突降等瞬態(tài)條件下，LED可能受損。而且，這種解決方案需要恰當?shù)腖ED編碼(binning)，電阻庫存大，且能效低。

　　與電阻型驅(qū)動器相比，線性恒流穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定電流，在寬電壓范圍下提供恒定亮度，在高輸入電壓時保護LED，使其免于過驅(qū)動，在低輸入電壓時提供更高的亮度。而得益于其恒流特性，客戶可以減少或消除源自不同供應商提供的不同LED的編碼成本，使系統(tǒng)總成本更低。

　　圖2：CCR結(jié)合電阻型驅(qū)動器與線性穩(wěn)壓器所長，填補了市場空隙。

　　我們可以通過實際的測試來驗證這兩種驅(qū)動器的性能對比情況，見圖3。測試中對比了分別采用這兩種驅(qū)動器實現(xiàn)的組合尾燈，其中的CCR是穩(wěn)定電流為25 mA的器件。從圖中可以看出，在9 V的相同輸入電壓時，CCR比電阻型驅(qū)動器的電流高，使LED更亮。在13 V的相同電壓輸入時，二者亮度一致。電壓高于13 V后，CCR的電流逐漸穩(wěn)流到25 mA，而電阻型驅(qū)動器的電流則一直上升，可能導致LED過驅(qū)動，從而損壞LED。此外，CCR提供的電流精度達±10%，完全滿足應用要求，而電阻型的電流精度僅為±50%，相差甚遠。

　　圖3：電阻型驅(qū)動器與穩(wěn)流電流為25 mA的線性恒流穩(wěn)壓器的V-I曲線比較。

　　基于專利SBT技術的簡單、經(jīng)濟及強固的線性恒流穩(wěn)壓器

　　安森美半導體的線性恒流穩(wěn)壓器基于安森美半導體正待批專利的自偏置晶體管(SBT)技術，提供一定程度的集成，并結(jié)合安森美半導體的超強的工藝控制能力，為低電流應用提供簡單(Simple)、經(jīng)濟(Economical)及強固(Robust)的LED驅(qū)動解決方案。

　　具體而言，這器件的雙端非常易于設計，適合高端(High-side)及低端(Low-side)應用，且不需要外部元件，非常簡單。它的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在消除LED編碼，降低庫存成本，以及保護LED，降低替代及維護成本。安森美半導體還規(guī)劃推出三端可調(diào)節(jié)輸出的線性恒流穩(wěn)壓器，它們的結(jié)構(gòu)示意圖見表1。

　　值得一提的是，安森美半導體的線性恒流穩(wěn)壓器支持采用120/220 Vac供電，如在建筑物及通用照明應用中，120/220 Vac交流市電輸入經(jīng)過橋式整流后，只需要保證輸入電壓減去LED串總電壓后所剩下的電壓不超過這線性恒流穩(wěn)壓器45 V的陽極-陰極最大電壓VAK即可。這同樣體現(xiàn)出它的易于設計特性。

　　而在強固性方面，安森美半導體的這系列器件表現(xiàn)非常突出。例如，其設計帶有負溫度系數(shù)(NTC)，在極端的電壓和工作溫度下保護LED免受熱失控影響。例如，采用SOT-223表面貼裝封裝的器件尺寸為7.0 mm x 6.5 mm x 1.6 mm，85℃時能在電路板上500 mm長/不到29克重的銅片上耗散630 mW的功率，非常適用于極端的熱工作環(huán)境。此外，這些器件通過了嚴格的AEC101汽車標準認證，適用苛刻的汽車應用要求。這些器件還承受開關瞬態(tài)及電壓尖峰，并具備良好的靜電放電(ESD)額定脈沖等級，測得為1.8 kV。此外，這些器件還支持環(huán)保，使用無鹵素模子化合物，并符合無鉛RoHS指令要求。

　　安森美半導體首批NSI45系列10款雙端線性恒流穩(wěn)壓器已于2009年5月推出，這些器件提供±10%及±15%的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流(Ireg)容限，額定電壓為45 V，工作溫度范圍-40℃至85℃，最高結(jié)溫度為150℃，提供20 mA、 25 mA及30 mA器件等不同選擇，采用SOD-123及SOT223封裝，目標市場包括汽車應用中的內(nèi)部及外部LED照明，商業(yè)標識應用中的氖燈替代、交通信號等及顯示屏背光，建筑物及通用照明應用中的平板交流照明、工作燈及裝飾燈、景觀及室外照明等。

　　安森美半導體服務的上述多個應用市場都會涉及LED照明/背光。而安森美半導體使用寬廣范圍的技術，為廣泛的LED照明應用提供解決方案，發(fā)揮高能效電源方案的核心優(yōu)勢。安森美半導體針對低電流LED照明應用推出的新的簡單、經(jīng)濟及強固的線性恒流穩(wěn)壓器解決方案，拓寬了安森美半導體已有的包括開關穩(wěn)壓器及普通線性穩(wěn)壓器的LED驅(qū)動器產(chǎn)品陣容，非常適合于汽車內(nèi)部/外部照明、商業(yè)標識牌及建筑物LED照明應用需求。