詳解LED 燈的恒流驅動芯片(一)
1 LED 簡介

　　發光二極管( LED) 是一種固態光源，利用半導體中的電子和空穴相結合而發出光子，每種LED 所發出的顏色取決于光子的能量，而光子的能量又因其制造材料而異。同一種材料的發光波長很接近，因此每顆LED 的顏色都很純正，最常見的一般亮度的LED多是紅色和草綠色。LED 晶粒尺寸小，顏色種類多，使用時排列方式又有很大的靈活性，這是它比一般光源優越的地方;另外，LED 與其他光源相比還具有較高的光效和更高的可靠性，供電的方法也比較簡單。

　　因而LED 特別適合用作顯示光源。例如，早期LED主要應用于各種儀表、室內音響、電器面板，或用于資訊和狀態顯示，如股票看板、活動字幕等。

　　隨著LED 亮度的逐漸增強，LED 也逐漸由室內擴展到戶外應用，例如戶外廣告、交通信號、夜景裝飾照明、道路照明等。目前，LED 大多仍限于上述的特殊照明，其缺點是光束較集中，每流明的成本較高，與一般的照明要求尚有一段距離。但世界各國特別是美國和日本都把這種固態光源看作最具有發展前景的照明光源，并為研發應用于一般照明的白光LED而投入大量的人力和物力，努力早日使LED 應用于普通照明，我國也為此制定了中長期的研發規劃。

　　與一般的半導體PN 結一樣，LED 的正向導通壓降隨導通電流的變化并不大，一般為3. 5V 左右，正向壓降約有± 16. 6% 的離散，如表1 所示( 資料來源為Luxeon Star 的技術數據，表2 和圖1 也來自該公司的數據) ，不同顏色的LED 的導通壓降也不盡相同。

表1 LED 的電特性( 電流為350mA、結溫Tj = 25℃ 時)

 

表2 LED 的光特性( 電流為350mA、結溫Tj = 25℃ 時)

 

　　各種LED 的發光強度隨其發光顏色不同而有所差異，如表2 所列。其正向壓降VF和光強則隨其電流變化而變化，如圖1 所示。從圖1 不難看出，LED的照度隨其通過的電流增加而增加，電流大，光輸出及照度也大;但其壓降變化并不大。所以，LED 要求采用串聯供電，而且是恒流的，流經管子的電流為定值，以保持穩定的光輸出。作為LED 的驅動芯片，要求其輸出具有恒流特性，對串聯的LED 供電。

 

圖1 LED 的正向壓降和照度隨電流的變化曲線

　　在了解了LED 的特點和光電參數之后，我們有選擇地介紹一些恒流驅動LED 芯片，本文擬介紹ST公司的芯片Viper12 /22A 和我國昂寶公司的3 種芯片。這類驅動芯片就其工作原理來說，大同小異，只要弄清楚一種，其他的也不難理解。下面著重介紹一下ST 公司的Viper12 /22A 芯片。

　　2 LED 恒流驅動芯片之一:Viper12 /22A 芯片

　　Viper12 /22A 芯片是一種開關電源芯片，具有恒流輸出特性，主要用來驅動發光二極管( LED) ，或做電池充電適配器、電視機和監視器的備用電源、馬達控制器的輔助電源等等。

　　2. 1 Viper12 /22A 的特點

　　Viper12 /22A 是一種專用的電流模式PWM 控制器，其中含有一個高壓功率MOS 管，同控制器集成在同一塊硅片上，可以不用外接MOS 管，共有8 條引腳( 功能引腳僅為4 條)。內部的控制線路使芯片具有以下特點:

　　(1) 采用脈寬調制，脈寬調制的開關頻率是固定的，為60kHz;

　　(2)VDD 腳電壓范圍很寬，為9 ～ 38V，能夠適應輔助電源的變化，這一點特別適合于充電器的應用( 在充電時，電池電壓逐漸上升，輔助電源電壓也隨之變化) ;

　　(3) 在輕負載下(MOS 管漏極電流只有最大極限值IDlim的12% 時，例如幾十毫安) 電路進入自動突發模式(Automatic burst mode，此時，為適應電路調整的要求，MOS 管開通時間會變得很短，以致要丟失幾個開關周期才出現脈沖，故稱為突發模式) ;而在過壓時，則工作在打嗝模式(Hiccup mode) ;

　　(4) 采用電流模式控制的脈寬調制;

　　(5)VDD 有欠電壓封鎖功能、且有回差;

　　(6) 有過溫、過流、過壓保護功能，并能自動再啟動;

　　(7) 驅動能力:在輸入為195 ～ 265VAC 下，SO －8 封裝的IC 為8W，DIP － 8 封裝的為13W;在輸入為85 ～ 265VAC 下，SO － 8 封裝的IC 為5W，DIP － 8 封裝的為8W。

　　用Viper12A 或Viper22A 驅動LED 時，根據LED的功率大小，所能驅動的LED 數量如表3 所列。

表3 Viper12A 和Viper22A 所能驅動的LED 數量

 

　　由于每個管子的導通壓降3. 5V，Viper12A 和Viper22A 的輸出電壓根據所驅動的LED 數量，可能從最低的3. 5V 到14V。

　　2. 2 Viper12 /22A 的方框圖

　　Viper12 /22A 的方框圖如圖2 所示。Viper12 /22A 對外部的功能引腳為4 條:即VDD、SOURCE( 源極)、DRAIN( 漏極)、FB。

 

圖2 Viper12 /22A 的方框圖

　　(1)VDD( 4 腳) : IC 控制線路的電源，在IC 內部，由一個有回差的比較器來監控VDD 電壓。比較器有2 個閾值:

　　VDDon( 典型值為14. 5V) ，在此電壓下器件開始開關振蕩，并關斷啟動電流源;VDDoff( 典型值為8V) ，在此電壓下器件中斷開關振蕩，并接通啟動電流源。

　　(2) SOURCE ( 源極1、2 腳) : 功率MOS 管的源極，電路的接地點。

　　(3)DRAIN( 漏極5、6、7、8 腳) :功率MOS 管的漏極，內部的高壓電流源也連到此腳，在啟動時，該電流源對VDD 腳的外接電容充電。

　　(4) FB(3 腳) :反饋輸入，其電壓范圍為0 ～ 1V。

　　通過反饋改變流入FB 腳的電流及電壓，來調整MOS管的漏極電流及輸出電流。當FB 腳電壓為0 時，漏極電流最大，并被限定為最大值IDlim。

　　2. 3 用Viper12A 組成的LED 恒流驅動器電路

　　用Viper12A 組成的LED 恒流驅動器電路如圖3 所示。電路的輸出電流為0. 35A，輸出電壓為13. 5 ～ 14V。

 

圖3 Viper12A 恒流驅動LED 的電路

　　2. 3. 1 電路的工作分析

　　電路各部分的功能如下:

　　交流電壓經過防浪涌電流的電阻R1后，由整流橋整流，電容C1濾波，作為Viper12A 的MOS 管的漏極直流電源，降壓變壓器原邊繞組是MOS 管的交流負載，變壓器降壓副邊繞組的電壓，通過二極管VD3整流，C7濾波，輸出直流電壓，加到端子1、2，用來驅動LED 發光。LED 的電流由IC Viper12A 控制器控制，保持為恒定值。

　　變壓器的輔助繞組經VD2整流、C4濾波為IC 提供電源VDD。

　　為滿足電磁兼容( EMC) 要求，采用的濾波電路由共模電感L1及電容C1、C2構成;電阻R2及電容C3是變壓器原邊的緩沖網絡( 也稱阻尼網絡) ，用以消除變壓器原邊繞組在開關過程中出現的過電壓，以保護MOS 管。電容C5也是EMC 濾波電容，接在輸入地及輸出地之間，以減少對外電路的電磁干擾。

　　控制電流的恒流過程如下:

　　LED 的電流由電阻R6檢測，經R10加到雙運放TMS103 中一個運放的反相端V2 －，其同相端V2 +則由基準電壓VREF分壓后提供。加到LED 的輸出電壓則由電阻R15、R16分壓加到TMS103 的另一個運放的反相端V1 －，其同相端V1 +則直接由基準電壓VREF提供。2 個運放的輸出相“或”后，加到光耦器件H11A817A 的發光二極管的下端，作為反饋輸入，由它控制光耦器件的電流，進而控制流入Viper12 /22A的FB 端的電流，借以調整IC 的輸出脈沖寬度，改變MOS 管的漏極電流，從而使Viper12A 的驅動具有恒流輸出的特性。有關反饋腳FB 如何控制器件的工作，我們下面將專門加以介紹。

　　2. 3. 2 FB 腳對功率MOS 管漏極電流的恒流控制作用

　　與普通受輸入電壓控制的PWM 不同，FB 是受輸入電流控制的，如圖4 所示的那樣。圖4 是圖3 的一部分，圖中還畫出了Viper12A 內部的有關部分，以便于說明FB 腳的控制作用。

　　由MOS 管流出的監測電流IS，其大小與MOS 管的主電流ID成正比。電流IS與由FB 腳送來的反饋電流IFB相疊加，由于MOS 管在脈沖控制下流過變壓器原邊的電流是一個線性上升的電流，所以IS也是一個線性上升的電流，當上升到其峰值，且在IC 內部電阻R2上產生的電壓和比較器的基準電壓0. 23V相等時，MOS 管關斷，電流不再增加。此時有：

 

　　由此得：

 

　　由于MOS 管的漏極電流峰值IDP與IS成正比，而IS又受IFB控制，所以漏極電流峰值：

 

　　式(2) 表明:IS受IFB控制，IFB越大，則IS越小，MOS 管的漏極電流峰值IDP亦越小;反之亦然。

　　當VFB = 0 時，電流自FB 腳流出，IFB = － 0. 23V /R1，MOS 管的漏極電流峰值IDP最大，其最大極限值：

 

 

圖4 FB 腳的電流控制示意圖

　　在實際應用中，FB 腳是連到光耦器件的，如圖4所示，不可能短路到地，漏極電流達不到式(3 ) 所表示的最大值。但是，當光耦關斷時( 啟動或短路) ，電容C6上的電壓將非常接近于0V。此時，漏極電流峰值IDP接近其最大極限值IDlim。上述FB 腳的電流IFB控制VFB、進而控制MOS 管的最大漏極電流峰值的圖解示于圖5 中。由圖5 可知，IFB愈大，則IDP愈小;反之，IFB愈小，則IDP愈大。當IFB為負值且VFB為0 時，漏極電流峰值IDP為最大，并以IDlim表示之。

　　如果輸出端由于某種原因使LED 的電流減少，則送到雙運放TSM103 的一個運放的反相端V2 －的輸入電壓降低，運放的輸出將變高，光耦器件的發光二極管下端電位提高，使流過光耦器件的電流減少，進而使IFB電流減小，通過FB 腳的控制作用，外接MOS 管的漏極電流峰值IDP增加，結果流過LED 的電流上升，進而保持其電流為恒定的。反之，如LED 的電流由于某種原因有所增加，則由于FB 腳的控制作用，外接MOS 管的漏極電流峰值IDP減少，也能使流過LED 的電流保持恒定。

 

圖5 FB 腳電流IFB對MOS 管漏極電流峰值IDP的控制

　　通過改變圖3 中LED 的檢測電阻R6的阻值，例如減少為其原來的一半，即R6 = 0. 25Ω，則Viper12A恒流值可以提高為700mA;如R6的阻值減少為原來的1 /3，即R6 = 0. 167Ω，則Viper12A 恒流值可以提高為1. 05A。以上2 種情況分別可以用來驅動3W( Io= 700mA) 和5W( Io = 1. 05A) 的LED。

　　2. 3. 3 電路中變壓器的設計

　　在恒流輸出的電源中，變壓器的設計是很關鍵的。因為IC 器件可能驅動1 ～ 4 個LED，輸出電壓可能在3. 5 ～ 14V 之間變化，輸出電壓反射到原邊，從而改變控制電路IC 的電源電壓VDD以及MOS 管的漏源電壓Vds。在設計變壓器時必須考慮到以下3 點:

　　(1) VDD在低電壓時為9V，在過電壓時，最多為38V;(2) Viper12A 的功率為8W;Viper22A 的功率為12W;(3) 反射到MOS 管的漏源電壓等于(NP /NS) Vo，加上輸入直流電壓后，必須低于730V。

　　變壓器的原邊與副邊的匝比應根據外接LED 數目為最大時設計，當外接LED 減少時，變壓器的反射電壓亦隨之減少。如按1 個LED 進行設計，則當LED 增加為4 個時，變壓器的反射電壓將增加4 倍，就有可能超過Viper 耐壓的額定值。副邊繞組與VDD輔助繞組的匝比則應根據1 個LED 時、VDD的最低電壓為9V 來設計。當LED 增加為4 個時，VDD亦將按比例增加。根據以上原則設計的變壓器參數如下:

　　原邊電感為3. 25mH，± 10% ;原邊漏電感的典型值為39. 9μH;原邊繞組與副邊繞組之比為1∶ 0. 117(180 圈∶ 21圈) ;原邊繞組與VDD繞組之比為1∶ 0. 283(180 圈∶ 51圈)。

　　當Viper12A /22A 導通時，變壓器的原邊繞組儲存磁能;而當Viper12A /22A 截止時，能量將轉移到副邊繞組和VDD繞組中，為Viper12A /22A 提供偏壓，并為驅動LED 燈提供能量。

　　圖3 電路的缺點是:電路比較復雜，需要另加光耦和運放，成本也較高。優點是不用外接MOS 管，占面積小。

　　2. 4 用Viper22A 組成的LED 恒流驅動器電路

　　Viper22A 的功率稍大，其驅動LED 的電路與圖3 相似，如圖6 所示。這里對電路的工作亦不再過多說明(在變壓器原邊繞組加二極管及穩壓二極管是為了限制在開關過程中出現的反峰電壓) ，讀者參照圖3，不難了解每個元件的作用。

　　2. 5 用Viper22A 組成的非隔離型LED 驅動電路

　　上述LED 供電電路，其輸入的中線和輸出的地線并沒有接在一起，它們是不共地的，通常叫作隔離型電源( Isolated power supply)。LED 也可以采用輸入、輸出共地的非隔離電源( Nonisolated powersupply) 供電。其形式如圖7 所示。在這個電路中，輸入電壓經半波整流、EMI 濾波電路將直流電壓加到Viper22A 的DRAIN 腳，而由其源極輸出經L2、C6濾波后的直流電壓為LED 供電。同時，輸出電壓還經二極管VD3加到VDD 端為IC 供電。電路中輸入電壓的中線和輸出地接在一起，所以它是一種非隔離電源。由于輸入電壓降壓后直接輸出去驅動LED 管，故又稱為降壓型電路。此電路比較簡單，成本較低。

　　稍微改變一下元件參數，可以得到不同的輸出電壓和電流。它適用于驅動小型的LED 顯示器、繼電器、AC 開關等。

 

圖6 用Viper22A 組成的恒流LED 驅動器電路

 

圖7 輸出為12V、350mA 的非隔離型電路

　　Viper22A 的輸出為12V、350mA 或16V、350mA，Viper12A 的輸出為12V、200mA 或16V、200mA。同樣的電路還可以輸出10 ～ 35V 的電壓。

　　在了解了LED 的驅動芯片工作原理之后，下面再介紹我國上海昂寶公司生產的LED 驅動芯片，它適用于90 ～ 264V 的全電壓范圍，按功率范圍分成3個系列，即功率< 15W、10 ～ 40W 和> 40W 3 檔。其中< 15W 的采用OB253X 芯片;10 ～ 40W 采用SN03芯片; > 40W 的有2 種方案，可以采用OB2203 +OB6563( 相當于ST 公司的L6563 ) ，也可以只采用OB6663 1 塊芯片。下面對3 種芯片分別進行介紹。