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2019年08月16日 | 技术文章—恒流LED驱动器：经济高效、可靠、使用方便
2019-08-16 来源：EEWORLD
LED被广泛用于各个细分市场。尽管高功率LED需要采用复杂的驱动方案，但绝大多数应用是使用电流低于500毫安的LED，并可由线性恒流LED驱动器驱动。这些驱动器使用简单、可靠、经济高效，且不会影响EMC。本文简要介绍在实际应用中使用恒流LED驱动器时应考虑哪些设计和功率问题。
为了驱动高性能LED，有多种高端解决方案，使用具有复杂控制器的升压-降压拓扑结构，但这需要深刻理解这些拓扑才能创建可靠且符合EMC规范的设计。但是，对于中低功率LED，有一个非常简单且强大的驱动器解决方案，使用恒流LED驱动器作为一个简单的线性稳压器。从功率损耗的角度来看，恒流LED驱动器并不是理想的选择，但其出色的EMC性能、可靠性、容易实现，以及最终显著的降低系统成本，使其成为驱动高达500 mA LED的首选解决方案。本文中提到的以NCR为后缀的驱动器都可从安世半导体获得。它们被用于恒定电流源和汽车应用，例如内饰和外饰灯（例如，门把手、仪表板、数字键盘灯、指示器或尾灯）。
图1：低端和高端恒流LED驱动器拓扑：
图1所示为使用恒流驱动器来驱动LED的基本电路。这种驱动器内部由一个BJT、两个二极管和两个电阻组成。采用PNP BJT的恒流驱动器作为高端驱动器使用，而采用NPN BJT的恒流驱动器作为低端驱动器使用。其中一个电阻定义最小的输出电流，另一个电阻调节偏置电压，对使能特性起重要作用。高端恒流驱动器具有一个接地的使能引脚；因此可以通过断开此引脚来关闭两个驱动器以及LED。在实践中，通过采用配电阻晶体管(RET)（如图1右所示）或MOSFET来实现此目的。然而，低端驱动器需要启动某些潜在功能。NCRx20x系列驱动器需要采用一个电源电压来使能（如图1 左所示）。NCRx21x系列驱动器可在更低电压（3.3 V）下使能（如图1 中所示）。此零件从使能引脚获取1 - 2 mA电流，因此易于被微控制器或逻辑器件的输出引脚驱动。这样非常便于LED的开启和关闭，以及使用PWM控制器来简单调节LED灯的明暗。
关于调节明暗的功能，请参见图2：配备外部6 Ω电阻，采用不同开关频率时，NCR321Z的输出电流的均值与占空比成函数关系。该图展示了占空比与测量的平均输出电流之间的线性关系。即使频率超过建议的10 kHz，这种线性关系仍然适用。但是，最好采用不超过10 kHz的频率，以避免EMC问题。
图2：配备外部6 Ω电阻，采用不同开关频率时，NCR321Z的输出电流的平均值与占空比成函数关系。
大部分恒流LED驱动器的输出电流都是由外接电阻来调节。有些类型的恒流驱动已经调节为常用的电流，不需要配有外部电阻，所以可采用3引脚封装。在可连接外部电阻的应用中，外接电阻与内部电阻并联，从而会降低有效电阻。采用NPN晶体管的低端恒流驱动器(NCRx2xx系列)配有一个95 Ω内部电阻。通过对测量曲线进行分析，得出如下公式，可以估算出外接电阻与输出电流之间的关系：
外接电阻的值不能太低，以免超过最大输出电流。如果外接电阻比内部电阻小，则大部分输出电流将流经外部电阻；当外部电阻很小，输出电流会很大，这一点很重要。然而，¼ W电阻就已足够，因为即使是输出电流为250 mA，功率损耗不会超过170 mW。
恒流驱动器表现出对温度的负相关性。在温度升高时，输出电流会略微下降。但是，输出电流不会受到加在恒流驱动器的压降的影响。由于输出电流随温度升高而降低，所以不存在热失控的风险。
加在恒流驱动器上的最小压降约为1.4 V。低于此电压时，线性调节不能正常工作。超过此值时，恒流驱动器上的压降会动态的调整，以增强所需的输出电流。低端和高端配置的恒流驱动器中，输出电压始终按
计算，
LED上的电压，
供电电压。当LED的亮度在某种程度上与电源电压无关时，应使用恒流LED驱动器。例如，汽车的12 V电源在正常运行时会在11 V和15 V之间波动。如果已知LED中所需的驱动电流和压降，那么最小电源电压可以由加在驱动器上的压降和LED上的电压之和计算得出。最大允许电压由加在驱动器中的最大允许压降
决定，或者通过
来估算的总功耗决定。因此，如果不超过规格书的限制，则允许的操作范围可以表示为：
SOT457封装的恒流驱动器的一般具有
的总功耗。输出电流为50 mA时，这与15 V的裕量有关。安世半导体新推出的SOT223封装的器件的
提高至1.25 W，这将电压裕量调高至25 V。
图3：并联使用的两个低端驱动器。
此外，可以通过减小输出电流来提高电压裕量。如图3所示，将两个或多个恒流驱动器并联起来可以切实让电流翻倍。使用这种方法，可以驱动超过单个驱动器容限的电流，或者使用低于驱动器容限的电流来增加电压裕量。使用两个采用SOT223封装、驱动容限为250 mA的恒流驱动器，可以使电路驱动500 mA LED，其电压裕量为5 V。并联驱动恒定电流驱动器时，外部电阻的精度是最重要的影响单个驱动器输出电流对称性的因素。图4描述了采用SOT457和SOT223封装时，电压裕量与单个和并联驱动器的输出电流的对应关系。
图4：采用SOT457和SOT223封装的单个和并联驱动器的电压裕量。
图5：采用SOT457和SOT223封装的安世半导体LED驱动器(NCRx2xx)
综上所述，恒流LED驱动器提供了一种经济高效且易于实施的驱动中低功率LED的解决方案。使用更高Ptot的封装会直接转化为更高的电源电压裕量，而且并联驱动器可用于提升驱动电流能力。
史海拾趣
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