大功率LED恒流驱动电路的设计分析与实例

　　恒压供电的基本电路(图1左)采用反馈电阻RFB1和RFB2，当负载电流发生变化时，VFB也随之变化，DC/DC稳压器通过感知VFB的变化，使输出电压维持在一个固定的电平：
V0=(VFB*(RFB1+RFB2))/RFB1 (1)

　　在图1右边电路中，DC/DC稳压器的FB是高阻输入端，流经LED的电流IF为：
IF=VFB/RFB (2)

　　为保持IF恒定，DC/DC稳压器感知VFB，然后调整LED正端电压，使流经LED的电流保持恒定。这就是利用DC/DC稳压器FB反馈端实现恒压到恒流转换的原理。

　　一般来说，DC/DC稳压器对VFB的变化有一个感知的范围，一旦LED选定，其工作电流IF的大小也就确定了，所选的电阻要保证VFB落在DC/DC稳压器容许的范围内。

　　以VFB等于1.25V为例，假设IF分别为15mA、350mA和700mA，采样电阻的功耗将分别小于20mW、400mW和800mW。对于1W的LED来说，采样电阻的功耗分别占到总电源消耗的2%、40%和80%。因此，采样电阻的设计对提高LED的功效至关重要，它应该选取尽可能小的数值。

　　由于直接将RFB连接FB端会造成RFB的功耗过大，所以在FB端和RFB之间放置一个运算放大器，以放大RFB采集到的电压VTAP(图2)。
IF=VTAP/RFB=(VFB/RFB)*(1+RF/RI) (3)

　　通常，1W大功率LED的典型工作电流为350mA，如果选择RFB等于1欧姆，则RFB的功耗为：

　　PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W (4)

　　考虑运算放大器本身的功耗，RFB及其附属电路的功耗大约为1W LED功率的12%。这样就能在确保LED获得恒流供电的同时，将RFB的功耗降低到可以接受的水平，从而使LED两端的电压尽可能大，流经的电流也尽可能大。国家半导体按照这个原理工作的稳压器有LM2736和LM2734。 

图4：从采样电阻直接获取反馈电压的设计

　　LM2734是1A降压型稳压器。基于LM2734的恒流驱动电路(图3)利用LM321运算放大器获取采样电阻Rset上的电压，结合其它电阻和电容就可以构成一个完整、高效率的大功率LED恒流驱动电路。在实际使用中，有些LED恒流驱动电路可以直接从采样电阻获取反馈电压，如图4所示。

　　图3中采样电阻Rset决定了恒流驱动电路的设计，而且对整个系统的效率有重要影响，因此仔细设计Rset对节省能源至关重要。图3和图4的详细设计文件请向国家半导体当地授权分销商索取。

　　一般来说，如果要求LED驱动电流的变化不超过标称值的5%至10%，那么采用精度为2%的电阻就足够了。LED驱动电流的典型波动范围是正负10%。由于采样电阻消耗的功率较大，应避免使用功率较小的贴片电阻。此外，LM3478方案适用于多个大功率LED的恒流驱动，而基于LM5021的恒流驱动设计方案则针对220V AC/DC转换器的应用。

　　恒流驱动与散热的考虑

　　就电子电路系统设计而言，工程师在设计LED恒流驱动电路时首先要了解LED的恒流参数。目前LED芯片的制造商很多，国内外LED的差异主要在于相同电参数的情况下，流明数可能不同，因此设计工程师要清楚地认识到LED功率并不是决定发光效率的唯一参数。例如，同样是1W的LED，有的LED可以达到40流明的亮度，而有的只能达到20流明的亮度，这是因为LED光学效率还取决于材料和制作工艺等诸多环节。

　　有些设计工程师为提高发光效率而采取加大驱动电流的办法，例如，对于同一颗1W LED，加大驱动电流后，亮度可以从20流明提高到40流明，但是LED的工作温度也相应升高了。一旦温度超过LED的限温点，就会影响LED的寿命和可靠性，这是设计恒流驱动过程中需要注意的重要问题。

　　此外，LED照明系统的光学效率不仅仅取决于LED恒流驱动方案，还与整个系统的散热设计密切相关。为缩小体积，某些LED恒流驱动系统将LED驱动电路与散热部分贴近设计，这样容易影响可靠性。

　　一般来说，LED照明系统的热源基本就是LED灯本身的热源，热源太集中会产生热损耗，因此LED驱动电路不能与散热系统紧贴在一起。建议采取下列散热措施：LED灯采用铝基板散热；功率器件均匀排布；尽可能避免将LED驱动电路与散热部分贴近设计；抑制封装至印刷电路基板的热阻抗；提高LED芯片的散热顺畅性以降低热阻抗。 

表1：大功率LED在寿命上具有很大优势