低電流線性LED驅動器設計方案

楊勁松，朱佳南，陳尚智，陶 俊

(1.無錫市照明工程有限公司，江蘇無錫 214000;2.鹽城師范學院物電學院，江蘇 鹽城 224002）

0 引言

在眾多照明應用中，線性LED驅動器是首選的方案，因為其相對簡單，易于設計，且使LED能夠以精確的穩定電流來驅動，而無論LED正向壓降或輸入電壓如何變化。由于驅動器是線性結構，其必須匹配應用的功率耗散要求。電流范圍在10 mA～1 A的寬廣范圍線性LED驅動器方案，包括新穎的線性恒流穩流器(CCR）方案及其他眾多線性驅動器方案。

1 針對低電流LED驅動的線性CCR及應用示例

在電流低于350 mA的許多低電流LED應用中，如汽車組合尾燈、霓紅燈替代、交通信號燈、大型顯示屏背光、建筑物裝飾光及指示器等，可以采用普通的線性穩壓器或是電阻來提供LED驅動方案。電阻用于限制LED串的電流，是成本最低的方案，易于設計，且沒有電磁兼容性問題。但是，使用電阻時，LED正向電流由電壓確定，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條件下，LED可能受損。電阻方案的能效也最低，不利于節能，這在強調低能耗的應用中尤為不利。此外，電阻方案也存在LED熱失控及篩選問題。線性穩壓器方案能提供較佳的穩流精度(±2%），支持過功率自調節，也沒有EMI問題。這種方案的能效較低，成本適中，要比普通線性穩壓器經濟，但在性能上又要比電阻高。采用自偏置晶體管(SBT）技術，結合自身超強的工藝控制能力的LED驅動方案—NSI45系列線性恒流穩流器(CCR）。與電阻相比，線性CCR在寬電壓范圍下亮度恒定，在高輸入電壓時保護LED，使其免于過驅動，在低輸入電壓時提供更高亮度。得益于其恒流特性，以減少或消除不同供應商提供的不同LED的編碼成本，降低系統總成本。CCR也無EMI問題，采用高功率密度封裝，并通過AEC-Q101認證。

CCR包含雙端固定輸出和三端可調節輸出兩種類型，電流等級分別涵蓋10～350 mA及20～160 mA，陽極-陰極最大電壓VAK分別為50 V和45 V高VAK電壓幫助抑制浪涌，保護LED。這系列CCR在電流流動前無電壓偏移，其快速導通/關閉特性提供寬范圍及精確的脈寬調制(PWM）調光能力。市場上沒有和CCR一樣的“即插即用”器件，其他器件都需最低0.5 V的電壓導通，而不會像CCR一樣立即導通(見圖1）。CCR能以外部雙極結晶體管(BJT）來提供精確的PWM調光(見圖1），典型PWM調光頻率是0.1～3 kHz，調光過程中并無色彩漂移，因為LED始終以優化的電流導通。

圖1 25mA的CCR與競爭器件的lreg-Vin曲線比較(左）;CCR調光應用示例(右）

圖2 CCR可靈活用于高端或低端驅動，亦可驅動多串LED

CCR帶有負溫度系數(NTC）特性，在極端電壓和工作溫度下保護LED免受熱失控影響。CCR易于設計，適合高端(High－side）及低端(Low－side）應用(見圖2a），不需外部元件，非常簡單，適合更寬的應用范圍。

CCR還能用于驅動多串LED(見圖2b和圖2c），同樣是既可用于高端，也可用于低端。圖2b顯示的是單個CCR驅動多串LED的應用示例，這種配置的成本最低，但不同LED的正向壓降必須匹配，且某串LED故障則其他串LED的電流增加，加大故障風險。這種配置中較多功率耗散在單個CCR封裝之中。圖2c顯示的是多個CCR驅動多串LED，這種配置的保護性能最佳，既不需要匹配LED，某串LED故障對其他串也沒有影響，且功率在多個CCR封裝中耗散。

除了以單個CCR驅動單串或多串LED，還能并聯多個CCR(見圖3）來提供更大電流，驅動單串或多串LED。其中，使用三端可調節輸出CCR有助于滿足特定電流設置要求，可調節電阻能耗不到150 mW。

CCR可以用于直接采用交流電源供電的應用。交流市電輸入經過橋式整流后，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CCR的VAK即可。CCR也可用于T8熒光燈管LED替代應用。采用CCR來驅動LED T8燈管(見圖4）與采用電子鎮流器的熒光燈相比，輸入功率更低，功率因數更高，總諧波失真更低，光輸出率更高。

圖3 并聯多個或單個CCR驅動電路

圖4 NSI45090DDT4GCCR在驅動LEDT8燈管中的電路圖

2 應用于可尋址標志、建筑物裝飾光等線性LED驅動器

CCR這樣的低電流LED驅動器，可應用于顯示屏驅動、可尋址標志、建筑物裝飾等應用領域。

標志牌、滾動橫幅、智能車輛標志和體育計分板等LED應用需要采用多顆LED，通常包含多串LED，要求LED驅動方案提供恒定的光輸出，不同通道間的電流匹配精度要高，要提供易用的接口來控制不同LED通道，并且要具備可靠的保護功能。針對這類應用的方案需要CAT4008和CAT4106(見圖5）等恒流LED汲入型驅動器，其中前者支持8通道，后者支持16通道，LED電流范圍均為2～100 mA，此電流由外部電阻設定。

某些旨在營造高視覺沖擊力效果的建筑物裝飾照明要求LED驅動器能夠驅動高亮度LED，并且要具備高速接口，從而支持高數據率并確保維持高數據完整性，還需要具備超低的壓降，從而提供更高的能效。

圖6為CAT4103及CAT4109 RGB像素LED驅動器典型應用電路圖。其中，CAT4101是1A高亮度線性LED驅動器，不要求電感，消除開關噪聲，將元件數量減至最少，并簡化設計，針對要求大電流的建筑物LED裝飾照明應用。CAT4103是3通道串行可編程恒流RGB像素LED驅動器，為高端、多色彩、智能LED建筑物照明應用而設計，具有高速串行接口，能支持達25 MHz的數據率，提供完全緩沖的數據輸出，確保在分布式(長距離）、菊花鏈型照明系統中維持最高的數據完整性。CAT4109也是三通道RGB像素LED驅動器，使用并行接口，每條通道具有專門的脈寬調制(PWM）控制，非常適合更常規的LED視覺效果應用，如混色和建筑物重點照明。

圖5 CAT4016典型應用電路圖

圖6 CAT4103及CAT4109 RGB像素LED驅動器典型應用電路圖

3 小結

采用低電流線性CCR方案，可有效地提高穩流精度，實現寬電壓范圍內的LED發光管的亮度恒定，并具有在高輸入電壓時對LED發光管的實時保護，使其避免過分驅動，另外在低輸入電壓時也可提高相對穩定的更高亮度。該方案可應用于顯示屏驅動、可尋址標志、建筑物裝飾等LED應用領域。與傳統方案相比，具有提供完全緩沖的編程數據輸出，提高維護顯示器系統的數據完整性、顯示器的視覺效果等技術優勢。

［1］王增福.新編線性直流穩壓電源［M］.電子工業出版社，2004

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