LED驱动器选配要求与技巧

1.LED驱动电源芯片的模式与选用

（1）LED驱动电源芯片的4种模式

目前，LED作为绿色环保的清洁光源得到了广泛的认可和应用，许多IC公司均有自己的驱动IC产品推向市场。从LED驱动电源市场的需求来分析，主要有4种驱动模式：低电压类IC、全电压AC/DC类IC、中等电压类IC和可编程类IC。下面主要对上述4类驱动IC所能组成的驱动电路的类型、输入电压范围、输出电压范围、输出电流等参数进行统计分析，并给出相应供应商的名称。由这些IC所组成的LED驱动器方案是已被飞利浦公司所承认的，因此在目前的市场上具有一定的代表性。

1）低电压类IC。低电压类IC主要以构成DC/DC驱动器为主，其输入电压一般不超过DC 15V。低电压类IC的电路类型主要有降压式与升压式之分，降压式电路又有线性降压与开关降压两种，升压式则多数采用Boost电路。一般来讲，升压转换电路可选择的专用驱动IC较多。可实现低电压类驱动的IC型号较多，几乎大多数的IC公司均有相似的产品。有的驱动IC可接受外加PWM调光控制；有的在IC内部集成了过热控制功能，结合外电路取样可实现对LED工作电流与温度的监控；有的则加入了频率抖动功能，以改善EMI特性。低电压类IC的主要性能见表3-3。

表3-3 低电压类IC的主要性能

（续）

在选用该类电路时，要注意IC的最低启动电压、最高开关频率，注意内部功率管是二极管还是MOSFET（或直接用外置的MOSFET），因为不同的内置功率管在转换效率上存在一定的差异。

充电泵电路一般转换功率较小，比较适合于对空间要求严格的场合。采用线性降压模式时电路转换效率较低，尤其是当输入电压从DC 12V转成3.5V/0.35～0.7A时，转换效率更是低至20%～30%。如此低的转换效率严重影响了电路的可靠性，给LED灯饰产品长期可靠地工作带来了极大的隐患。采用线性降压电路除转换效率低外，无论是在降压开关电路中还是在升压开关电路中，若使用日久，往往还存在PCB严重焦黑的现象。

2）全电压AC/DC类IC。全电压AC/DC类IC的输入电压为国际电压范围，即AC 85～265V，该电压范围能满足世界各国的电网电压要求。由该类IC组成的驱动器给使用者带来了极大的方便。可实现全电压类驱动的IC型号较多，其主要性能见表3-4。

表3-4 全电压AC/DC类IC的主要性能

可实现小功率AC/DC变换的方案较多，如阻容降压电路、非隔离电路、反激式隔离电路等，根据使用场合的不同可采用不同的拓扑结构。电路的输出功率较小，综观市场上的该类产品，非隔离电路由于体积小、成本低廉、取材容易等因素而成为首选。目前，非隔离电路主要运用在人体不能直接接触的地方，如户外景观灯、LED路灯等。该类变换器具有转换效率高、成本低、加工生产简便等优点。隔离电路的典型应用主要是LED台灯、LED室内灯饰等产品。

几乎所有的PWM控制IC均能构成AC/DC类拓扑，只是目前LED的消耗功率还较低，因此，与之配合使用的驱动器也无须较大的输出功率。正因为输出功率不大，恒流电路的设计才尤为重要，特别是在输出低电压、大电流时，若采用简单的电阻取样加晶体管控制方式，则在取样电阻上将消耗大量的功率，使电阻发热严重，导致驱动电路的输出电流发生漂移，对LED灯饰产品的亮度及一致性带来影响，并使电路的整体转换效率大大降低，降低产品的可靠性。比较合理的电流取样方式是采用毫欧级电阻加电流放大器的形式，在输出电流为700mA时，在同样的输出功率下，理论与实践证明电阻取样方式的效率比电流放大器取样方式的效率低3%～8%。

3）中等电压类IC。中等电压类IC主要可用作以电池为输入电压源的场所，LED灯饰产品主要以汽车应用为主，如汽车阅读照明灯、刹车灯、转向灯等。中等电压类IC以采用开关型降压电路的居多，同时为减小续流电感的尺寸，开关频率一般较高。输出电压与输出电流通常可根据使用条件而进行相应的调整。实现中等电压类驱动的IC型号较多，其主要性能见表3-5。

表3-5 中等电压类IC的主要性能

4）可编程类IC。在LED灯饰产品中，除了常规的白光LED产品外，在户外景观照明、装饰照明中RGB变色类产品所占的比例较大，因此，需要使用专门的驱动IC进行编程控制。采用编程控制方式，不但减小了硬件电路的体积与成本，提高了LED驱动器的知识产权保护性，而且利用该类IC编程控制的灵活多样性，可根据使用场合的不同，结合控制程序的改变，实现追逐、流水、渐变、快变、跳变、闪变及实时动态显示图形和图像等功能。充分发挥LED色彩丰富的特点，能给人的视觉带来极大的冲击，并能增加产品的卖点。实现可编程类IC的选择性相对较小，其主要性能见表3-6。

表3-6 可编程类IC的主要性能

（2）常用LED恒流驱动IC的选用

恒流驱动方式是比较理想的LED驱动方式，它能避免LED正向电压的改变所引起的电流变化，同时恒定的电流使LED的亮度稳定。随着LED应用范围的扩大，为了提升产品的品质，许多集成电路厂家都相继推出了各种LED专用恒流驱动电路，功率从几十毫瓦到几十瓦。目前，恒流集成电路已被广泛使用。

目前，中国台湾点晶（SITI）、中国台湾聚积（MBI）、中国台湾全泰（APEX）、美国德州仪器（TI）、意法半导体（ST）和日本东芝（TOSHIBA）等主流厂家都可提供恒流驱动集成电路。

① 8bit恒流源，8bit恒流源有ST2221A、DM114、DM115、MBI5001、MBI5168、TLG5902、AP83515、TB62725AF等，其中广为中国大陆厂家选用的器件为ST2221A和MBI15168。这两款器件的性价比高，工作稳定。ST2221A-1、MBI5168CNS、TB62725的引脚完全兼容，可以直接替换。

适用范围：全彩电子显示屏、美耐灯、护栏灯及其他灯饰。

② 16bit恒流源，16bit恒流源主要有ST2221C、DM134、DM135、MBI15026CF、TLG5921、AP83510TBG、TB62726AF等，其中TB62726AF、MBI5026CF、AP83510TBG的引脚完全兼容，可以直接替换。而ST2221C、DM134、DM135、TLG5921则采用不同的封装形式，故需要重新对PCB版图进行设计。ST2221C-3、MBI5026CP有相同的引脚定义，可以直接替换使用。另外，AP83510TBG采用120mA电流，在应用方面有其特殊的优势。

适用范围：全彩电子显示屏、双色电子显示屏。

③ 特殊恒流源，特殊恒流源集成电路是指在恒流以外增加了一些特殊应用的集成电路。目前，生产此类芯片的代表厂家为中国台湾点晶和中国台湾聚积公司。

中国台湾聚积公司的产品有MBI5027CF、MBI5028CF，在功能和应用方面基本上与中国台湾点晶公司的产品有异曲同工的效果。

2.LED电源芯片的控制模式

目前，市场上可以买到的微功率电源芯片有以下几种控制模式：PFM、PWM、电荷泵、FPWM（强制脉宽调制）、PFM/PWM以及Pulse-skip PWM（跳变脉宽调制）、数字PWM。其中最常见的有PFM、PWM、电荷泵以及PFM/PWM等控制模式。

（1）PFM控制模式

PFM是通过调节脉冲频率（即开关管的工作频率）的方法实现稳压输出的技术。它的脉冲宽度固定而内部振荡频率是变化的，所以滤波比PWM困难。但是PFM受限于输出功率，只能提供较小的电流，因而在输出功率要求低、静态功耗较低的场合可采用PFM控制方式。

（2）PWM控制模式

PWM的原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节集成电路内部开关器件的导通脉冲宽度，使得输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定值，所以比较容易滤波。但是PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，尤其是回路增益低，很难用于LED恒流驱动。尽管目前很多产品都采用这种方案，但普遍存在恒流问题。在要求输出功率较大而输出噪声较低的场合可采用PWM控制方式。

（3）电荷泵控制模式

电荷泵解决方案是利用分立电容将电源从输入端送至输出端，整个过程不需要使用任何电感。电荷泵的主要缺点是只能提供有限的电压输出范围（输出电压一般不会超过输入电压的2倍），原因是当多级电荷泵级联时，其效率下降很明显。用电荷泵驱动一个以上的白光LED时，必须采用并联驱动的方式，因而只适用于输入、输出电压相差不大的场合。

（4）数字PWM控制模式

通过采用数字PWM技术对独立数字控制环路和相位的数字化管理，可以实现对DC/DC负载点电源转换的监测、控制与管理，以提供稳定的电源，减少传统供电模组的电压波动造成系统的不稳定，而且数字PWM并不需要采用传统较高量的液态电容进行储波及滤波。数字PWM控制技术能够使得MOSFET运行在更高的频率下，有效地缓解了电容所受到的压力。数字PWM模式适用于大电流密度，其响应速度很快，但回路增益仍受到限制，目前成本相对较高，因此其在LED恒流驱动上的应用仍需进一步研究。

（5）FPWM控制模式

FPWM（强制的脉宽调制）是一种以恒流输出为基础的控制方式，它的工作原理是无论输出负载如何变化，总是以一种固定频率工作，高侧FET在一个时钟周期打开，使电流流过电感，电感电流上升，产生通过感抗的电压降，这个压降通过电流感应放大器放大。来自电流感应放大器的电压被加到PWM比较器的输入端，和误差放大器的控制端信号作比较，一旦电流感应信号达到这个控制电压，PWM比较器就会重新启动，关闭高侧FET开关的逻辑驱动电路，低侧的FET在延迟一段时间后打开。在轻负载下工作时，为了维持固定频率，电感电流必须按照反方向流过低侧的FET。

所以，PFM、PWM是采用恒压驱动方式控制LED，而FPWM和PFM/PWM是采用恒流驱动控制技术，实践证明较适合LED驱动。

3.LED驱动器的选用

新型LED光源产品品种繁多，但其共性是必须使用直流电源和单个器件工作电压低，在使用市电时必须采用转换电路。对于不同的使用情况，在LED电源变换器的技术实现上有不同的方案。

根据供电电压的高低，可将LED驱动器分为三类：一类是由电池供电，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光LED；二类是大于5V的供电，由稳压电源或蓄电池供电，如降压式、可升降压式DC/DC变换器；三类是直接由市电（110V或220V）或相应的高压直流电（如40～400V）供电，主要用于驱动大功率白光LED，如降压式DC/DC变换器。

（1）电池供电驱动方案

电池供电电压一般为0.8～1.65V。对于LED这样的低功耗照明器件，这是一种常见的使用情况，这种方法主要适用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光LED，如LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。考虑到有可能配合一节5号电池工作，还要有最小的体积，因此其最佳技术方案是电荷泵式升压变换器，如采用升压式DC/DC变换器或升压式（或升降压式）的电荷泵变换器，少数为采用LDO电路的驱动器。

（2）电压高于5V的驱动方案

电压高于5V的低压供电方案采用专用稳压电源或蓄电池供电，给LED供电的电压值始终高于LED管压降，即始终大于5V，如6V、9V、12V、24V（或更高）。在这种情况下，主要由稳压电源或蓄电池供电，用于驱动LED灯。这种供电方案必须解决好电源降压问题，典型应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯和机动车的灯光系统等。

（3）直接由市电或高压直流电供电的驱动方案

这种解决方案直接由市电（110V或220V）或相应的高压直流电供电，主要用于驱动大功率白光LED灯。市电驱动是一种LED照明应用性价比最高的供电方式，是LED照明普及应用的发展方向。

用市电驱动LED时要解决降压和整流问题，还要有比较高的变换效率、较小的体积和较低的成本。另外，应该解决安全隔离问题。考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对于中、小功率的LED，其最佳电路结构是隔离式单端反激变换器。对于大功率的应用，应该使用桥式变换电路。

对于LED驱动而言，面临的主要挑战在于LED的非线性。这主要体现在LED的正向电压会随着电流和温度而变化，不同LED器件的正向电压会有差异，LED“色点”会随着电流和温度而漂移，而且LED必须在规范要求的范围内工作，从而实现可靠工作。LED驱动器的主要作用就是在工作条件下限制电流，而无论输入条件和正向电压如何变化。图3-9为市电供电的LED驱动器基本电路原理图。

图3-9 市电供电的LED驱动器基本电路原理图

对于LED驱动电路而言，除了进行恒流稳流，还有其他一些关键要求。例如，如果需要进行LED调光，则需要提供PWM技术，而用于LED调光的典型PWM频率是1～3kHz。此外，LED驱动电路的功率处理能力必须足够，且功能强大，可以承受多种故障条件，并且要易于实现。值得一提的是，由于LED在最适宜电流下始终处于“导通”状态，所以其色彩不会漂移。

在LED驱动方案的选择上，过去认为有电感的升压式DC/DC变换器可输出较大的电流。近年来，电荷泵式驱动器可输出的电流已从几百毫安上升到1.2A，并且两者在变换效率上不相上下，因此，这两种类型的驱动器的产量差不多。

4.LED与驱动器的匹配技巧

由于白光LED的正向压降匹配较差，因此早期的白光LED驱动器采用限流电阻进行电流匹配，以补偿正向电压的差异，从而保证白光LED亮度的一致性。最新研制的白光LED驱动器IC可以不受供电电压的影响而保持恒定的亮度，提升并调节电池电压的驱动器IC可以是开环或闭环控制器、电荷泵，或带有电压或电流输出的电感式变换器。

在大多数应用中，白光LED是通过并联或串联方式连接在一起的。但在个别情况下，也可采用混联配置方式，还可采用交叉阵列形式连接。LED采用哪种连接方式取决于应用的需要，每种配置方案都有本身的优点和不足之处，如：

（1）LED串联方式

白光LED具有类似二极管的正向电压和电流特性。由于白光LED的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，两个白光LED即可获得相同的亮度，而无须考虑其正向电压的差异。白光LED采用串联方式连接可保证其电流相同，因此全部白光LED的亮度都是一致的。如图3-10a所示，LED采用全部串联方式连接，其优点是通过每个LED的工作电流相等，一般应串入限流电阻R，要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时，分配在不同LED两端的电压也不同，但通过每个LED的电流相同，各个LED的亮度一致。

图3-10 LED以串联方式连接

当某一个LED短路时，如果采用稳压驱动方式（如常用的阻容降压方式），由于驱动器输出电压不变，那么分配在剩余的LED两端的电压将升高，驱动器的输出电流将增大，容易损坏余下所有的LED。如采用恒流方式驱动LED，当某一个LED因品质不良而短路时，由于驱动器输出电流保持不变，因此不影响余下的所有LED正常工作。

当某一个LED断开后，串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个稳压二极管，如图3-10b所示。注意，稳压二极管的导通电压应比LED的导通电压高，否则LED就不会亮。

串联方式能确保各个LED的电流一致。如果4个LED串联后总的正向电压为12V，就必须使用具有升压功能的驱动电路，以便为每个LED提供充足的电压。但LED的正向电压存在一个变化范围，各个LED之间的压差会随之变化，对亮度的均匀性有一定的影响。

（2）LED并联方式

图3-11 LED以并联方式连接

如图3-11所示，采取多个LED并联，用独立的驱动电路来驱动。并联设计基于低驱动电压，因此无须带电感的升压电路。此外，并联设计具有低电磁干扰、低噪声和高效率等特点，且容错性较强。

LED采用全部并联方式，其特点是每个LED的工作电压相等，总电流为∑I_F。为了实现每个LED的工作电流一致，要求每个LED的正向电压也要一致。但是，器件之间的特性参数存在一定差别，且LED的正向电压会随温度上升而下降，不同LED可能因为散热条件的差别而引起工作电流的差别。散热条件较差的LED的温升较大，正向电压下降得也较大，造成工作电流增大。而工作电流的增大又会加剧温升，如此循环可能导致LED被烧毁。

LED采用全部并联方式时，要求LED驱动器输出较大的电流，负载电压较低。由于分配在所有LED两端的电压相同，因此当LED的一致性差别较大时，通过每个LED的电流不一致，LED的亮度也不同，可挑选一致性较好的LED。LED采用全部并联方式，适合于电源电压较低的供电场合（如太阳能或电池）。

当某一个LED断开时，如果采用稳压式LED驱动方式（例如稳压式开关电源），则驱动器的输出电流将减小，但不影响余下的所有LED的正常工作。如果采用恒流式LED驱动方式，则由于驱动器的输出电流保持不变，分配在余下的LED中的电流将增大，容易损坏所有的LED。

解决办法是尽量多并联LED，当断开某一个LED时，分配在余下的LED中的电流变化不大，不至于影响余下的LED正常工作。所以，功率型LED作为并联负载时，不宜选用恒流式驱动器。当某一个LED短路时，所有的LED将不亮，但如果并联LED的数量较多，通过短路的LED的电流较大，就足以将短路的LED烧成断路。

大多数并联白光LED配置都采用恒压或恒流的驱动器，而驱动器的采用取决于具体的应用要求。在恒压拓扑中驱动并联白光LED非常简单，驱动器可以是开环电压输出的开关式DC/DC稳压变换器。每个白光LED都串接一个限流电阻，用以设置电流值并匹配各白光LED之间的电流。采用具有大限流电阻值的恒压驱动器，可以获得良好的电流匹配效果，但其负面作用是影响效率。相反，较小的限流电阻值将提供较高的效率，但白光LED的电流（亮度）匹配效果较差。

白光LED需要的正向电压相对较高，最新的技术趋势是将白光LED的正向电压降低至3V以下。单个锂离子电池的电压范围为2.7～4.2V，标称电压值为3.6V，如果白光LED的正向电压低于3V，则可采用锂离子电池直接驱动白光LED（无须升压），从而减少部件数量和成本。

与传统白光LED驱动器不同，目前的白光LED驱动器采用了主动匹配技术，且为了实现白光LED恒定的亮度，采用了内置的数字、模拟和PWM控制单元对白光LED的亮度进行调节。飞兆公司最新的FAN5608LED驱动器整合了所有的亮度控制方式（数字、模拟、PWM），并支持特殊配置方案。它采用两个恒流源驱动两个白光LED串联支路，每个LED串联支路都具有独立的亮度控制功能，每个白光LED串联支路上串联有4个白光LED，从而可满足驱动8个白光LED的要求。

图3-12 LED以混联方式连接

（3）LED混联方式

在需要使用比较多的LED时，如果将所有的LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压；如果将所有的LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。将所有的LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED的负载电流较大，驱动器的成本也会增加。解决办法是采用混联方式。如图3-12所示，串、并联的LED数量平均分配，分配在一个LED串联支路上的电压相同，同一个串联支路中每个LED上的电流也基本相同，亮度一致，同时通过每个串联支路的电流也相近。

当某一串联支路上有一个LED因品质不良而短路时，不管采用稳压式驱动方式还是恒流式驱动方式，该串联支路都相当于少了一个LED，则通过该串联电路的电流将增大，很容易损坏该串联支路中的LED。大电流通过这串损坏的LED后，由于通过的电流较大，多表现为断路。断开一个LED串联支路后，如果采用稳压式驱动方式，则驱动器的输出电流将减小，而不影响余下的所有LED正常工作。这种先串联后并联的电路的优点是接线简单，亮度稳定，可靠性高，并且对器件的一致性要求较低，不需要特别挑选器件，即使个别LED单管失效，对整个发光组件的影响也较小。在工作环境因素变化较大的情况下，使用这种连接形式的发光组件效果较为理想。

先并联后串联混合连接构成的发光组件的问题主要在单组并联LED中，由于器件和使用条件的差别，单组中个别LED芯片可能丧失PN结特性，出现短路。个别器件短路会使未失效的LED失去工作电流，导致整组LED熄灭，总电流全部从短路器件中通过，而较长时间的短路电流又会使器件内部的键合金属丝或其他部分烧毁，出现开路。这时，未失效的LED重新获得电流，恢复正常发光，只是工作电流较原来大一点。这就是这种连接形式的发光组件出现先是一组中几个LED一起熄灭，一段时间后除其中一个LED不亮外，其他LED又恢复正常的原因。

混联方式还有另外一种接法，即将LED平均分配后，分组并联，再将每组串联在一起。当有一个LED品质不良而短路时，不管是采用稳压式驱动方式还是恒流式驱动方式，并联在这一支路中的LED都将全部不亮。如果采用恒流式LED驱动方式，由于驱动器输出电流保持不变，则除了并联在短路LED上的这一并联支路外，其余的LED均正常工作。假设并联的LED数量较多，驱动器的驱动电流较大，则通过这个短路的LED的电流将增大。大电流通过这个短路的LED后，很容易就变成断路。由于并联的LED较多，断开一个LED后，平均分配电流变化不大，其余LED依然可以正常工作，因此整个LED灯中仅有一个LED不亮。

（4）LED交叉阵列形式

交叉阵列形式电路如图3-13所示，每串以3个LED为一组，共同电流输入来源于a、b、c、d、e，输出也同样分别连接至a、b、c、d、e，构成交叉连接阵列。这种交叉连接方式的目的是，即使个别LED开路或短路，也不会造成发光组件整体失效。

图3-13 LED以交叉阵列形式连接