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对驱动新型LED的恒定电流源的要求(一)



概况

 

自上世纪60年代初问世以来,发光二极管(LED)已被用于许多半导体器件。从第一个LED问世到现在,LED技术已经取得了很大的技术进步。氮化镓(InGaN)和铟镓磷化铝(InGaAlP)的使用创造了更多各种各样的颜色(特别是采用InGaN工艺,通过紫外线发出的蓝光),通过LED技术多彩的LED产品得以问世。此外,由于发光效率、光通量及功耗的改进,这些新的半导体材料能够产生更亮的光。过去大多数LED都是由5mA~20mA的电流驱动的,而现在一些制造商生产的HB LED是由1A甚至更大的连续电流驱动的。

 

过去从设计角度看,在操作小电流LED时,采用电阻器或线性稳压器提供驱动LED所需的电流是可以接受的。在这种小电流解决方案中,功耗是最小的,而且这种技术对于驱动许多应用中的LED来说足够了。随着更新一代HB LED所需的驱动电流(IF)的增加,要更多地考虑到LED本身和电流驱动电路的散热管理和功耗问题。除了上述原因外,LED也需要更大稳流来保持颜色、亮度和使用时间,因此现在逐渐采用开关稳压器和控制器来提供驱动HB LED所需的恒定电流。本文将先容LED可以采用的不同拓扑和配置,以及用开关稳压器和控制器驱动LED的方法。

 

LED配置/拓扑

 

在驱动LED时有四种基本配置。选择最理想的拓扑和配置通常取决于应用以及技术规范和系统要求。设计人员需要考虑输入电压、要驱动的LED的数量、尺寸/布局限制、效率、散热管理以及光学等问题。第一种,也是最基本的一种拓扑是单个LED。采用这种设计的应用实例有汽车内顶灯(地图灯,阅读灯)。

 

第二种,可以用串联方式驱动LED。因为经过所有LED的驱动电流都是相同的(假设LED被适当的分档),这种配置可以保证颜色和亮度达到最接近的匹配度。在这种情况下,必须注意整个串联串中的输入电压以及它和正向电压降(VF)之间的关系。这将决定将被用于驱动LED的功率拓扑,下文将会讨论这个问题。这方面的应用实例包括闪光灯和汽车尾灯/刹车灯。

 

驱动LED的第三种配置是以并联方式驱动。在这种配置中,可以以大于单个LED的最大正向电压的输入电压驱动许多个LED。再次声明,LED的分档是非常重要的,因为在并联配置中,由于LED之间的VF不同,色彩和/或亮度之间不匹配的可能性非常大。如图1所示,LED是并联连接的器件,电流和电压(I-V)之间的曲线急剧上升,因此,即使是电压发生很小的变化,用电压源驱动LED也会使正向电流的摆幅很大。

 

最后一种驱动LED的配置是将并联LED串以串联方式连接。这种配置对于驱动多个LED来说比较适合,但是只有一个LED串有恒定电流。二极管的电压调节次级串的电流,串联镇流电阻器通常用于进一步减小由VF不匹配造成的影响。此外,LED的累积VF不匹配度很可能会使从一个串到另一个串的亮度也不匹配。这种技术用于驱动一些显示器的小电流白色LED背光灯。这种配置的不同之处是串并联连接,在这种配置中,整个阵列(将整个阵列视为二端元件)的电流都是稳定的,并且假设各个支路会分享相等的电流。这种配置在汽车刹车灯/尾灯/转向灯中已经获得应用。LED封装中会包含若干个晶粒,但是,当从一个集中源产生大量光通量时,只有两个连接被证明是有效的。

 

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