毕业设计（论文）-LED驱动电路的设计.doc

武汉工业学院 毕 业 设 计 论文题目：LED驱动电路的设计 姓 名： 学 号： 院 系：数理科学系 专 业：电子信息科学与技术 指导教师： 2011年6月10日目录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 课题背景、目的及意义11.2 LED产业发展现状及发展趋势21.3 课题的主要研究工作22 LED的基本知识32.1 LED的结构32.2 LED的发光原理42.3 LED的特性分析52.3.1 LED的电学特性52.3.2 LED的光学特性72.4 LED驱动电路的分类82.4.1 按LED连接方式分类82.4.2 并联和串联驱动方式各自的优缺点对比总结103 LED驱动电路的研究123.1 LED驱动技术123.2典型LED驱动电路的研究133.2.1电容降压电路133.2.2利用PWM控制的LED基本驱动电路133.3 LED集成驱动电路的研究143.3.1电荷泵驱动LED的典型电路143.3.2开关式DCDC变换器驱动LED的典型电路163.3.3 TPS6106驱动LED的电路174 LED驱动电路的应用214.1 LED在珠宝照明中的应用214.1.1基于AMC7150的驱动电路的设计224.1.2整灯的装配及测试254.2 其它应用领域27总 结28谢 辞29参考文献30II摘 要随着经济的发展，LED(发光二极管)应用随需求而变得急剧增大，它已经广泛地应用于电信、邮政、金融、交通等各个行业。LED的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，使LED显示更加均匀、漂亮，满足各种场合的应用要求。 本文从LED的发展现状出发，选择合适的LED作为实验对象，介绍了LED照明的特点和LED光学特性参数。无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，又对照明驱动的典型电路、集成电路进行了系统总结，并基于芯片AMC7150实际设计了一款展台用珠宝照明灯的实用驱动电路，从实验的角度论证了LED光源代替传统白炽灯光源的可行性和必要性。考虑各方面的因素，并同实际测量结果进行对比，使最终的结果具有实用性。通过对芯片的理论分析和芯片的数据测试，在典型情况下，该电路的电流控制精度相对误差和匹配相对误差可以控制在0.5以内，照明亮度达到设计要求，基本上达到了预定设定目标。与同类设计的灯相比，该灯有性价比高、实用性强等优点。关键词：LED；驱动电路；照明设计Abstract With the development of economy, needs for applications of LED increase dramatically and it is used widely in telecom，mail，finance，trafficDrive-control voltage is necessary for application of LED，because driven circuit provides good and steady current to make display of LED suitable for many applicationsBased on actual development of LED，the paper chooses right LED as experimental objectNo matter what type power, it cant supply power to circuitMake systemic summary for illuminating driven circuit and design driven circuit of jewel illuminating lightBase on chip AMC7150 design a driven circuitDemonstrate inevitability and feasibility for substituting LED for common light according experimentsAfter considering every aspects and compare measured results，the result is feasibleThe paper analyzes theory of chip and tests the data of chipThe typical relative error range for current control and mismatch is 0.5So it achieves reconverted targetThe lights performance is better and price is cheaper, compared with other lightsKey Words: LED; Driven Circuit; Lighting Design311 绪 论 本章主要介绍了LED行业近年来发展的趋势和发展的背景。旨在让大家都能了解LED是如何发展的，更重要的是在此基础上，让更多的人能够了解LED的基本知识及其驱动电路在实际中的应用和未来发展前景。1.1 课题背景、目的及意义随着世界电子信息产业的快速发展，作为电子信息产业基础的电子元器件产业发展也异常迅速。2005年，世界电子元器件市场需求约3000亿美元，占世界电子产品市场的15，年均增长率10左右，而新型电子元器件需求增长最快，约1500亿1800亿美元1。电子元器件正进入以新型电子元器件为主体的新一代元器件时代，它将基本上取代传统元器件，电子元器件由原来只为适应整机的小型化及其新工艺要求为主的改进，变成以满足数字技术、微电子技术发展所提出的特性要求为主，而且是成套满足的产业化发展阶段。近年来随着城市建设和电子信息产业的高速发展，人们对光源的需求与日俱增，LED产品的开发、研发和生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业，显示出了巨大的发展潜力。LED不仅可用于大型广告显示屏、交通信号指示灯、城市重点建筑夜景照明等领域，而且正在迅速成为汽车的标准配置，尤其是白光LED已经成为便携式电子产品显示屏的主要光源2。LED技术的发展引起了国内外光源界的普遍关注，现已成为极具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。LED魅力四射，优点众多，除了寿命长、功耗低之外，还具有以下显著特点：一是应用非常灵活，可以做成点、线、面各种形状的轻、薄、短、小产品；二是环保效益突出，而且废弃物可回收，没有污染；三是控制极为方便，只需通过调整电流就可以随意调光，不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路更能达到丰富多彩的动态变化效果1。当前，LED技术的革新使其应用范围越来越广，并逐步形成产业链。要使LED正常工作，驱动电源是非常关键的环节，它贯穿整个产业的发展，是保持LED产业继续发展的重要因素。唯有掌握先进可靠的LED驱动，才能快速抢占市场，迅速实现产业化。1.2 LED产业发展现状及发展趋势1968年我国第一批发光二极管开始进入市场，至今已有30多个年头，在光学光电子新兴产业中极有影响，在显示技术领域始终占有一席之地，我国政府在电子基础产品发展中，坚持树立大市场观念，以国民经济现代化、信息化为目标，实现产品专业化大生产为重点，扩大出口创汇能力，首选光电子器件等五种新型电子元器件作为发展目标，LED产业是光电子器件发展中的重点，在产值、产量、规模效应等占有优势，虽然在世界光电设计中占有很小的份额，但是我国巨大的市场潜力，使得制造厂商纷纷参与，扩张投资增加产能3。近三年来LED产业平均增长率大于30%，尤其是1996年之后增长较快，1998年实现销售收入22.44亿元，比上年增长13.44%，产量65.09亿只，比上年增长5.2%，产值35.89亿元5。行业资料显示，目前我国从事生产经营、科研教育等单位有100多个，从业人员约15000人，其中工程技术人员占二成，行业资产3.5亿元，初步形成了产业规模，同时产业发展也带动了周边支持产业的发展5，除LED芯片之外，主要原材料，零部件，所需的仪器设备国内都有生产供应，国内许多高校、研究所在发光材料、新型结构、新器件、新应用等方面做了大量的研究工作，取得了很多成果，1998年完成科研开发，技术改造250余项，某些成果达到国际先进水平。世界光电子产业的发展推动应用领域的变化发展，相信随着LED产业的发展会有更多的资金投向LED的研究和生产，因此现有超高亮度、蓝色、绿色LED的技术为少数厂商垄断将会突破，预计产品成本会有大幅度的下降，从而促进市场再开发，应用于的再拓展5。可以相信，半导体发光技术不会被其它技术产品取代，而且会继续沿着原来的轨道向前发展。1.3 课题的主要研究工作 无论那种电源，都不可能直接给LED供电，所以，要应用LED做照明光源，就要解决电源变换的问题。因此本论文首先介绍了LED照明的特点和LED光学特性参数。其次从LED的驱动电路入手。详细的对现有的照明驱动电路进行了分析，实际设计了一款展台用珠宝照明灯，在理论上和实验中对LED代替传统光源进行了分析。选用合适的LED灯透镜，整灯装配，并同实际测量结果进行了对比，使最终的结果具有实用性。最后，完成了芯片的测试工作。理论分析和芯片测试数据。 2 LED的基本知识 Light Emitting Diode，即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。2.1 LED的结构50年前人们已经了解到半导体材料可产生光的基本知识，并于1960年生产出了第一个商用二极管。LED主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后，电子和空穴分别注入P区和N区。当非平衡少量载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为电能。LED（Light-Emitting-Diode）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，其结构示意图如图2-1所示。LED的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的LED的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，则靠近小舌的引线是正极。LED的发光过程包括3部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体芯片被封转在洁净的环氧树脂中，当电子经过该芯片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，在电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子能量越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，橙色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。引线架有发射碗的阴极杆阳极杆楔形支架LED芯片透明环氧树脂封装图2-1 LED的结构示意图2.2 LED的发光原理 LED是由-族化合物，如GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成，其核心是PN结。因此，它具有一般PN结的伏安特性，即：正向导通、反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压作用下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少量载流子（少子）的一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2-2所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴之间复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子的效率越高。由于复合是在少子扩散区内发生的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内发生的。理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙，的单位为电子伏（eV） 式中：为电子运动速度，为普朗克常数，为载流子所带电荷，为光速，为发光波长。图2-2 LED发光原理示意图 若能产生可见光（波长范围为380-780nm），则半导体材料的应在1.63-3.26eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红光、黄光、绿光及蓝光LED，其中蓝光LED的成本很高，应用不普遍。 PN结的端电压构成一定的势垒；当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移比空穴迁移率大得多，所以，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。2.3 LED的特性分析2.3.1 LED的电学特性1. I-V特性 I-V特性（伏安特性）是表征LED芯片PN结性能的主要参数。LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，即外加正偏压时表现为低电阻，反之为高电阻，如图2-3所示。 图2-3 伏安特性曲线 正向死区（图2-3中的ab段或ab）。A点电压Va点对于O点电压为开启电压，当VVa时，外加电场尚未克服少数载流子扩散而形成势垒电场，此时电阻R很大。开启电压对于的LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。 工作区。工作电流与外加电压呈指数关系： （2-3）式中：为反向饱和电流 在的工作区，随的增大呈指数规律上升： （2-4）在正向电压小于某一值（阀值）时，电流极小，不发光。当正向电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，LED发光。由伏安曲线可以得出LED的正向电压、反向电流及反向电压等参数。LED的反向漏电流在10uA一下。LED的正向伏安特性电 流 mA如图2-4所示。电 压 V 图2-4 LED的正向伏安特性曲线 LED的伏安特性模型可用下式表示： （2-5）式中：为LED的启动电压；为伏安特性曲线的斜率；为环境温度；为LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言，其模型值为2V/。 从LED的伏安曲线及数学模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化。 反向死区。V0时，PN结加反向偏压；GaP LED的反向漏电流（V=-5V）为零，GaN LED的反向漏电流（V=-5V）为10uA。 反向击穿区。，称为反向击穿电压。与对应的电流为反向漏电流。当反向偏压一直增加到使时，将突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压也不同。2. C-V特性LED的芯片有9mil9mil（228um228um）、10mil10mil（254um254um）、11mil11mil（280um280um）、12mil12mil（300um300um）几种规格，故PN结面积大小不一，使其结电容（零偏压）pF。LED的C-V特性曲线呈二次函数关系，如图2-5所示。 图2-5 LED的C-V特性曲线2.3.2 LED的光学特性LED有红外光（非可见光）与可见光两个系列，非可见光系列LED可用辐射度来度量其光学特性，可见光系列的LED可见度来度量其光学特性。光学特性主要包括光通量、出射光的峰值波长等，简介如下：光源的光通量是指单位时间内通过立体角的可见光能量，它的单位是流明(lm)。光通量与时间以及电流的关系图如图2-6和2-7。首先关于时间特性，随着时间的增长，大功率LED的光通量下降较快，之后逐渐趋于平稳，最后光通量下降了10。其次，在电流与光通量关系图上，可以看出，随着电流的增加，大功率LED的光通量非线性增加，并逐渐趋于饱和。其原因主要是因为随着电流及时间的增大，大功率照明LED芯片内部将温度上升，发生在PN结区的载流子复合几率下降，造成LED发光效率降低。 图2-6 光通量与时间关系 图2-7 光通量与电流关系LED峰值波长与驱动电流的关系如图2-8所示。为了避免时间因素的影响，用瞬时的恒定电流来驱动大功率LED。可见，随着电流的增加，峰值波长向短波方向偏。在200mA以下的电流点亮时，峰值波长偏移比较大，而在更大的电流点亮时，峰值波趋于稳定。电流 mA瞬时波峰nm图2-8 LED峰值波长与驱动电流的关系2.4 LED驱动电路的分类2.4.1 按LED连接方式分类LED发光强度与通过二极管的电流成正比，有几种方法可以使多个LED的发光强度达到近似的匹配，一种是将每条支路上的LED与稳压源并联配置，一种是将所有的二极管串联配置，但在个别情况下，也可采用混合的并联串联配置方式，使通过每个二极管的电流都相同。并联配置偏向于采用一个稳流源而不是一个电阻，因为即使对于相同的偏置条件，二极管的正向电压V，的变化可达20，这对于光强度有直接的影响，用户可以察觉得到。串联配置则消除了这个问题，但需要一个高压升压变换器。并联配置的主要优点在于其可以使用低压工艺，但缺点是每个二极管需要独立的电流源管脚，增加了封装的管脚数量和相应的PCB焊盘。在设计集成电路时也需要小心，实现每个电流源的紧密匹配。许多第一代手机设计使用基于电容电荷泵方案的并联二极管配置，或者分数(1.5)、倍数(2)或混合(1.52)架构。这对设计师具有吸引力，因为外接电容需要的空间比电感需要的空间少。但是，这个方法的总体系统效率较低，仅在4780之间(取决于锂离子电池的电压)。作为参考点，基于电感升压的串联配置解决方案可以在相同的工作电压范围内轻易实现7585的效率。 总之，对串联、并联或混联的应用没有绝对的答案，设计人员应根据特定应用的需要选择合适的LED配置，以获得最佳的性价比。 (1) 串联驱动 由于LED亮度几乎完全由电流控制，因此，只要使用相同或匹配的电流，各个LED即获得相同的亮度。图2-9为串行连接的LED，并使用反馈电阻器来控制LED电流。图2-9 LED的串联驱动方式LED的正向电压各有不同，LED的串联可保证流经各LED的电流相同，即使得全部LED亮度都是一致的。(2)并联驱动在电源电压较为有限的应用场合，多个LED只能以并联方式工作。图2-10所示为并行连接的LED。这些并联模式的恒流驱动芯片使用限流电阻来检测LED电流。电流可以利用反馈连接至LED的限流电阻进行调节一通常是配置中的第一个LED，余下LED的限流电阻器会与第一个LED的电流进行匹配。由于LED之间的正向电压各不相同，因此各LED之间存在着正向电流的匹配度问题。值得一提的是，LED驱动器供应商经常吹捧LED电流匹配精确性在0.3至5之间的差异，以及其供应的驱动器正处于这水平内。实际上，人眼根本察觉不到LED之间如此小的亮度差别。虽然电流匹配的精确性在5或以下是最好的，但在5以下任何精度之间的差别都只是细微至不能察觉。图2-10 LED的并联驱动方式(3)混联驱动 混联是指混合的串联并联的驱动方式，如图2-11所示。在驱动数量较多的LED时宜采用混联的驱动方式。例如假设需要以同样电流驱动12个白光LED，据搜集到的驱动芯片资料，MAXl948是目前市场能并联驱动LED数量最多的一款芯片，但最多也只能驱动8个LED；若采用串联驱动方式，则需要40V以上的电压来驱动12个LED组成的LED串，这个高电压需求使得串联驱动器被剔出理想解决方案之列。而混合的串联并联LED驱动方式能够满足要求。将12个LED分为两串，每个LED串串联6个LED，从而满足驱动12个LED的要求。如图2-11所示。此外，这种配置所需的外部元件最少，因为成为最佳的驱动数量较多LED的设计方案。图2-11 LED的混联驱动方式2.4.2 并联和串联驱动方式各自的优缺点对比总结不同的连接形式具有各自不同的特点，并且对驱动器的要求也不相同，特别是在单个LED发生故障时电路工作的情况、整体发光的可靠性、保证整体LED尽量能够继续工作的能力、减少总体LED的失效率等就显得尤为重要。表2.1给出了采用不同连接形式时的相关情况的比较。总而言之，LED的群体应用是LED实际应用的重要方式。不同的LED连接形式对于大范围LED的便用和驱动电路的设计要求等都至关重要。因此，在实际电路的组合中，正确选择相适应的LED连接方式，对于提高其发光的效果、工作的可靠性、驱动器设计制造的方便程度以及整个电路的效率等都具有积极的意义。串联驱动并联驱动低驱动电压 高驱动电压(通常高于16V) 低(或无)辐射EMI，低噪音 高辐射EMI，高噪音 LED拓扑不具备相同的电流 LED拓扑具有固有的恒定电流 需要LED正向电压分档筛选(预挑选) 需要LED正向电压分档筛选(预挑选) 开关式电容DCOC转换器，无需电感 DCDC升压转换器，需要电感 容错设计，当一个LED失效，其LED仍会发亮 无容错设计，当一个LED失效，其的LED都不会发亮 LED至PCB或显示器连接器上的有多个接头 仅有两个LED串的连接头 独立的LED亮度控制 所有LED都有相同的亮度水平表2.1 LED串联和并联的驱动方式比较 3 LED驱动电路的研究 LED驱动电路除了要满足安全要求外，另外的基本功能应有两个方面，一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生15的变动时，仍应能保持输出电流在10的范围内变动。二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率保持在较高水平。3.1 LED驱动技术 原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源就要解决电源变换问题。LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。给LED供电的电源必须注意以下事项： (1)、LED是单向导电器件，由于这个特点，就要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。 (2)、LED是一个具有PN结结构的半导体期间，具有势垒电势，这就形成了导通门限电压，加在LED上的电压值超过这个门限电压时LED才会充分导通。LED的门限电压一般在2.5V以上，正常工作时的管压降为34V。 (3)、LED的电流-电压特性是非线性的，流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和)。因此，流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。 (4)、LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电势降低。由于这个特点，所以LED不能直接用电压源供电，必须采用限流措施，否则随着LED工作时温度的升高，电流会越来越大，以至损坏LED。 (5)、流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加，但却不成正比，越到后来光通量增加得越少。因此，应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。另外，LED也和其他光源一样，所能承受的电功率是有限的。如果加在LED上的电功率超过一定数值，LED也可能损坏。由于生产工艺和材料特性方面的差异，同型号的LED的势垒电势以及LED的内阻也不完全一样，这就导致LED工作时的管压降不一致，再加上LED势垒电势具有负的温度系数，因此，LED不能直接并联使用。3.2典型LED驱动电路的研究 理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流方式，但驱动器的成本会增加。其实每种驱动方式均有优缺点，根据LED产品的要求、应用场合，合理选用LED驱动方式，精确设计驱动电源成为关键。3.2.1电容降压电路电容降压电路是一种常见的小电流电路，由于其具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点，也常应用于LED驱动电路中。图3-1所示为一个使用的采用电容降压的LED驱动电路，而大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑N极管，因压敏电阻或瞬变电压抑制二极管能在电压突变瞬间(如雷电、大用电设备启动等)有效地将突变电流泄放，从而保护LED和其他晶体管。瞬变电压抑制器的响应时间一般为纳秒级。图3-1 采用电容降压的LED驱动电路图3-1中电容Cl的作用是降压和限流。电容的特性是通交流、隔宜流。C2、C3的作用是滤波，用于将整流后的脉动直流电压滤波成平稳的直流电压。C2、C3的耐压应根据负载电压而定，一般为负载电压的1.2倍，其电容容量视负载电流的大小而定。压敏电阻Rv(或瞬变电压抑制二极管)的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压对地泻放掉，从而保护LED不被瞬间高压击穿。LED串联的数量视其正向导通电压(VF)而定。在220V、50Hz的交流电路中，可以选择耐压为400V以上的涤纶电容或纸介质电容。3.2.2利用PWM控制的LED基本驱动电路 由开关变换器构成的LED基本驱动电路如图3-2所示，电路采用PWM信号控制LED的亮度。在图3-2中，IC的EN端子施加PWM信号，LED会以某种速度作ONOFF模式运行的端子，如果对EN端子施加PWM信号，LED会以某种速度做ON船OFF模式运行，进而实现LED亮度的控制。此电路中Trl的输出信号需经AD转换器转换为数字信号。LED的平均电流可用下式计算： （3-1）式中：为开关变换器的输出电流；为PWM信号的占空因子（%）。图3-2 利用PWM信号控制LED亮度的驱动电路3.3 LED集成驱动电路的研究由于LED的普遍应用，对应的驱动IC也出现了巨大的需求量，目前世界上许多著名的IC设计生产公司均推出LED驱动IC。目前，LED专用驱动芯片生产厂家主要以MAXIM(美芯)、TOSHIBA(东芝)、TI(德州仪器)、SONY(索尼)、SlTI(点晶科技)等为代表。LED驱动芯片可以分为通用芯片和专用芯片两种。所谓的通用芯片，其芯片本身并非专门为LED而设计，而是一些具有LED部分逻辑功能的逻辑芯片(如串一并移位寄存器)。专用芯片是指按照LED发光特性而设计专门用于LED应用的驱动芯片。3.3.1电荷泵驱动LED的典型电路CAT3604是一个工作在1、1.5分数模式下的电荷泵，可调节每只白光LED管脚(共4只LED管脚)的电流，使LED背光的亮度均匀。CAT3604工作在1MHZ的固定频率下，可使用低值的陶瓷电容。使能输入管脚EN可使CAT3604工作在静态电流“几乎为零”的掉电工作模式下。CAT3604可驱动并联的白光LED，提供合适的匹配调节电流。外部电阻Rszr用于控制输出电流的电平，35.5V的宽电源电压输入范围可支持高达30mA的白光LED电流。CAT3604适用于单节锂离子电池供电的便携式电子产品。CAT3604具有短路和过流限制保护特性。CAT3604实现白光LED亮度控制的方法有： 使用一个直流电压来设置SET管脚的电流。 将PWM信号用作控制信号或在电阻RSET两端并联一个转电阻。(1)CAT3604的技术特性 独立驱动多达4只白光LED，每只白光LED的输出电流高达30mA。 对每只LED的开关实行数字控制。 兼容35.5V的电源电压。 效率高达93。 关断电流小于50hA。 高频工作频率为1MHz。 具有低值陶瓷电容。 管脚配置兼容SC604。 具有软启动和电流限制功能。 采用16脚薄型QFN封状，尺寸为4mmx4mm，厚度最大为0.8mm。(2)CAT3604的应用电路CAT3604的应用领域有：彩色LCD和键盘背景光手机、手持式设备、数码相机、PDA、便携式MP3播放器。CAT3604的典型应用电路如图3-3所示。图3-3 CAT3604的典型应用电路3.3.2开关式DCDC变换器驱动LED的典型电路 NCPS009是安森美公司(ON Semiconductor)在2002年4月份推出的一种由升压式DCDC变换器电路及电流调节电路等组成的自动调节亮度白光LED驱动器。它可用作彩色液晶显示器(LCD)的背光光源。 (1)NCP5009的特点该器件的主要特点是：输入电压范围为2.76.0V，输出电压可达15V；静态电流的典型值为31aA；内部有开关电流检测电阻器(外部无需接电流检测电阻器)；LED的电流可由外设电阻器设定；可方便地调节LED的亮度；外设一个光电三极管，可根据环境光线的亮暗自动地调节LED的亮度；有高于75的转换效率；输出噪声低；所有引脚都有耐2KV电压的防静电保护；采用10引脚贴片式封装；工作温度范围为-25+85。(2）典型应用电路NCP5009的典型应用电路如图3-4所式。该电路以升压式DCDC变换器为基础，由外设电阻器R1及微控制器来设定LED的电流，并有自动调节亮度电路。用于控制LED亮度的相关引脚的功能是：CS、CLK引脚与微控制器连接，由微控制器控制亮度等级信号Bn(由内部移位寄存器产生， =l7，值越大，亮度越高)。引脚外接电阻器R1，R1用来设定LED的电流。PHOTO引脚外接光电三极管，用来检测环境光的亮暗及调节LED的电流。 ,及电流是从端流经电阻器R1到地的电流。是从PHOTO端流经光电三极管Q1到地的电流(环境光线越亮，光电三极管的内阻越小，越大)。是DCDC变换器中流过电感器L1的峰值电流。与是由内部电流镜电路来控制的，他们的比值是1:1，并且与对输出电流的作用是相反的，的增加使输出电流增加，但电流的增加却使输出电流减小。电流与电流由另一个电流镜电路控制，它们的比例是l：746(即=l LlA时， =746uA)。当微控制器给出亮度等级值时，与及及的关系式为 （3-2） 与R1的关系 与R1的关系为 （3-3）式中：1.24V是内部的基准电压。环境光线较亮时，较大，相应减小，则LED的电流也随之减小，即LED的亮度将随的增大而减小：反之亦然。这样就达到了自动调节亮度的目的。这里要注意的是1peak并不是直接输入LED的电流，是平均电流， ，当增大时也随之增大。微控制器图3-4 NVP5009的典型应用电路3.3.3 TPS6106驱动LED的电路 TPS6106X是一个功能十分完善的自光LED驱动器系列。它采用同步整流的拓扑形式，不需要传统LED驱动器外部所接的整流二极管，从而可节省PCB板空间。它支持数字调光信号，一旦完成调光操作后调光信号就可以保持恒定高电平，并存储调光信息。利用这种功能可以很好得解决传统P喇模式调光所带来的EMI问题。另外，仅需一个GPl0管脚就可以控制TPS6106，实现调光、关段、启动功能，因此能接生微处理器的GPl0资源。表3.1 数字调光信号的软件代码反馈电压时间LED逻辑状态增加175us低减少180300us低亮度控制无效550us低步长之间的延迟1.5us高(1) 数字调光电路 图3-5 数字调光操作所实现的功能图3-6 TPS6106X芯片数字调光应用的设计原理采用数字调光操作能消除调光过程中产生的EMI干扰问题，并且仅通过一根GPIO控制线可实现图3-5所示的功能。首先按照表3.1中的说明编写数字调光信号的软件代码，由手机中的微处理器发出相应的亮度调节信号。该信号必须满足每级亮度增强的时间步长为1-75us和没级亮度减弱的时间步长为180300us的基本要求。每级“步长”之间需要持续时间大于1.5us(td)的高电平隔开，以区分级数。图3-6给出了TPS6106芯片数字调光的应用设计原理图。在图3-7中，在每个周期之间，ILED管脚都需要上拉到高电平并保持至少1.5us。 (2) 工作模式 关断芯片操作：在ILED与EN公共端点上施加一个恒定的“低电平”即可关断芯片。数字调光操作：按照手册要求加入一个亮度信号，亮度信号将通过ILED管脚保持高电瓶时数字调光功能才会被使能，调光信息才会保存；否则，如果撤消该高电平，芯片将关断调光功能并丢失调光信息，从而使芯片自动回到FB管脚电压值为0.5V的状态。无论ILED管脚是何种电平，FB管脚上的电压都为0.5V，输出电流为0.5RS。亮度设置信息被保存在芯片中，当需要再次进行调光操作时，只需输入新的数字亮度信号。请注意，每次完成调光操作后，都需要保持亮度信号为高电位，以保证“数字调光”功能处于“使能”状态。 (3) PWM调光TPSl606X芯片同样支持PWM调光操作，ILED管脚直接连接至VIN管脚，EN管脚直接连接P删除信号，PWM信号的频率不超过5KHZ，然后进行脉宽调制。，其中为频率周期中“高电平”部分。图3-7和图3-8分别给出了亮度增强调节信号和亮度减弱调节信号。图3-7 亮度增强调节信号图3-8 亮度减弱调节信号 (4) 电感电流电感值通常选用4.7uH、6.8uH、10uH或22uH。电感类型选用电感，以减少EMI问题。白光驱动器的电流通常比较小，基本维持在20mA左右，可按照以下公式计算最小电感电流: （3-4）式中：D为占空比，,等于单节4.2V锂离子电池电压的典型3.6V；为最高输出电压，如果串联4只LED，每只LED的压降为3.5V，则压降等于14V，因此至少为15V。在LED光源的设计中，驱动电路是LED光源设计中的关键。光源性能的优劣，与LED驱动电路密切相关。在试验中，驱动电路还需要从节能角度来考虑，在保证LED发光强度的同时，有效的降低LED的功耗。在光源设计中，加入振荡电路控制光源，可以提高LED的瞬间亮度，降低LED光源的功耗。4 LED驱动电路的应用 LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。节约能源是我们未来面临的重要课题，在照明领域，LED产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源，必然是未来发展的趋势，21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。4.1 LED在珠宝照明中的应用 随着照明技术的不断进步，珠宝照明也不仅仅局限于对亮度的要求。过于明亮的灯光除了不必要的浪费外，其高温和电磁辐射还会破坏物体本身所具有的颜色和光泽，尤其对一些有机质的宝石，例如珍珠、珊瑚、琥珀等的结构和化学成分会造成影响。如何利用恰如其分的光源来显现珠宝的价值也日益成为珠宝商们关心的问题。不同的珠宝需要不同的灯光来配合使用。在为珠宝店选择灯光时，需要考虑的因素有灯色、照明程度、闪烁度、温度、演色性、红外线、紫外线等。据有关数据显示，珠宝在33005000K色温的灯光照射下能够显示出最佳的外观效果。珠宝本身的特质对光源有着极高的要求，例如：极高的流明效率(801mW)；引入注目的照明，常用光色：黄光、中性白光和日光白热辐射量低；对温度变化不敏感；显色性好，光色均匀，色彩亮丽逼真；尽量避免使纺织物失去光泽、塑料脆化(防紫外线)；使用寿命长，经济耐用。 国内珠宝照明发展到现在，专业光源大致有四种： 管灯：只适合作珠宝店面的空间照明。 金卤灯：亮度强、光效率高。但光线过于刺眼，显色性差，易使钻石颜色失真，所以不适用于柜台和珠宝橱窗的照明，只适合放在高挑的天花板上。投射卤素灯：小巧灵活、容易控制。可以很好地呈现钻石的闪烁性，但普通卤素灯因为显色性较差，光线偏黄，而且使用寿命短。LED灯：具有光线柔和无刺激、光色丰富、热辐射小、易于隐蔽安装等特点，比较适用于珠宝专柜的照明。因此，越来越多的珠宝展台要求使用LED照明。根据这些要求，设计了一款LED珠宝照明灯。4.1.1基于AMC7150的驱动电路的设计 根据应用的需要，基于驱动芯片AMC7150设计了一款珠宝展台照明用投射灯。驱动芯片AMC7150内建PWM(脉冲宽度调变)与功率晶体管，只需五颗外部零件。该组件输入工作电压在4V40V间，最高驱动电流达1.5安培，可以驱动24W的高功率LED。工作频率可由外部电容控制而达200KHz，只要调整外部电阻值即可达到变更输出电流的目的。 (1)AMC7150简介AMC7150是1.5A高功率LED驱动IC，属于开关模式恒流源。主要应用于一般LED照明与汽车LED辅助照明。最大结温为150，焊接最高温度为260。芯片引脚见图4-1。图4-1 AMC7150芯片引脚内部结构如图4-2。 芯片共5个引脚，按照图4-2所示，分别为： 1、Vcc，输入引脚，输入电压范围在4-40V之间。 2、CS，峰值电流检测引脚。 3、GND，接地 4、OUT，输出引脚，输出电压范围在-3V到40V之间。 5、0SC，时间振荡器引脚图4-2 AMC7150内部结构 (2)应用电路的工作原理 根据光照范围以及亮度需要，由7只1W的LED组成类似梅花形的灯。选用的LED色温为4500-5500K，是用于珠宝照明的最适宜色温。 在此电路中Cin为输入旁路电容，它是用来控制输入电压，以及滤除AMC7150的开关噪音的。此设计中Cin的值选为47uF16V。 续流二极管：快速恢复二极管推荐使用续流二极管，因为高反向回复电流将导致通过Rsense的压降将高于330mV，从而导通的开关将立即关掉。由给定值可以得到续流二极管的值，在此设计中我使用符合条件40V1A的二极管。LED驱动电流：流过LED的峰值电流利用下式计算: （4-1）LED的平均电流由电感L确定的波峰间波纹电。假定LED的平均电流为550mA，波纹电流为100mA则检测电阻Rsense等于： （4-2）此电路中，检测电阻则等于Rsense=Ct：680-820pF Rsense：0.89检测电阻值必须高于200mQ，这样驱动电流才不能超过指定的最大电流1.5A。电感L：为了减少LED上的波纹电流，L值应该能够保持系统工作在连续工作状态，而且电感电流不能降到0。由于稳态操作时期的波形必须重复从某一时间到下一个，电感电压的积分超过这一段时间时就应该为零： （4-3）此处： （4-4）因此： （4-5）此处是LED串的总正向压降。是续流二极管DF的正向压降，是流过Rsense的峰值压降，这里是300mV，是当开关的典型值为1V时的饱和压降。由于工作频率由适当电容决定，开关导通时间可由下式得到. （4-6）此处： （4-7） 当知道峰值导通电流和导通时间时，电感L的值就可以求出来了。 （4-8） 当输入为12V对，对于图示电路，由公式得到L220uH，在这个电路中，灯的亮度由检测电阻Rsense来进行调节。LED应用于珠宝展台照明的电路原理图如图4-3所示。图4-3 LED珠宝展台照明的电路原理图 对于LED的连接方式上，此处采用的是串并联结合的方式安装的LED。如果将所有LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。并且，并联LED负载电流较大，驱动器成本也会加大。解决办法是采用混联方式。当某一串联的LED上有一颗品质不良短路时，不管采用稳压式驱动，还是恒流式驱动，这串LED相当于少了一颗LED，通过这串LED的电流将大增，很容易会损坏这串LED。大电流通过这损坏的这串LED后，由于通过的电流较大，多表现为断路，断开一串LED后