ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８２４．２０１ １．０２．０１９ 高亮度ＬＥＤ驱动芯片概述 洪峰，满瑞 （重庆邮电大学光纤通信重点实验室，重庆４０００６５） 摘 要：介绍了高亮度ＬＥＤ的特点和优势，以及ＬＥＤ驱动电路在ＬＥＤ照明系统中的重要性，阐述了ＬＥＤ驱动芯片 的要求和功能模块的构成，分析了驱动芯片中几种典型电路，讨论了３种主要系列ＬＥＤ驱动芯片的优缺点以及高 亮度ＬＥＤ驱动的发展趋势。 关键词：高亮度ＬＥＤ；ＬＥＤ驱动芯片；典型电路 ０ 引 言 发光二极管（１ｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）是一种电致发 高以及维护成本也较高的场合。 高亮度ＬＥＤ不但色彩饱和，而且设计灵活，颇 受设计人员青睐。迄今为止，绝大多数高亮度ＬＥＤ 照明应用都是彩色的。红、绿、黄高亮度ＬＥＤ的组 合使色彩及灰度（１６７０万色）的选择具有较大的灵 活性。此外，与传统白光源相比，高亮度ＬＥＤ节能 ８０％～９０％，并且光束不产生热量。 光的光电配件，它利用固体半导体芯片作为发光材 料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复 合，放出过剩的能量引起光子发射产生可见光。 在各种不同类型的光源中，高亮度ＬＥＤ（发光 二极管）以节能和寿命长的优势增长势头良好，开 始替代白炽灯、卤素灯、荧光灯、ＨＩＤ氙气灯等其它 种类的光源。特别是近年来，高亮度ＬＥＤ（ＨＢＬＥＤ） 在建筑照明、装饰照明以及标识牌照明等方面的应 用，为ＬＥＤ驱动芯片的发展提供了更为广阔的前 景。要体现其节能和寿命长的优势特点，ＬＥＤ显示 及驱动电路的设计和配置至关重要，所以在设计 ＬＥＤ灯时，需要考虑采用什么样的ＬＥＤ驱动系统， 在白光应用中，高亮度ＬＥＤ的发光效率是白炽 灯及卤素灯的２倍以上，并且最好的白色高亮度 ＬＥＤ比标准６０～１００ Ｗ白炽灯（１７１ Ｈ ｗ）的效率 要高出许多。目前，在实验室中演示的白色高亮度 ＬＥＤ的发光效率已接近荧光灯（８０ ｌｍ／ｗ） 。 １．２高亮度ＬＥＤ照明系统中的ＬＥＤ驱动构成 在ＬＥＤ照明系统中ＬＥＤ驱动芯片只占成本的 很小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性。因 为大功率ＬＥＤ在寿命上具有很大优势，所以其发展 以及ＬＥＤ作为负载采用的串并联方式，合理的搭配 设计，才能保证ＬＥＤ正常工作。本文主要研究高亮 度ＬＥＤ驱动芯片的设计要求，介绍了几种常用的组 成电路，并对几种主要的高亮度ＬＥＤ驱动系列芯片 进行了对比分析讨论 。 前景非常广阔，其中最被看好的照明应用是汽车、 医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境，但这些 １ 高亮度ＬＥＤ简介 １．１高亮度ＬＥＤ的特点与优势 应用也对ＬＥＤ驱动系统设计提出了新的要求。高 亮度ＬＥＤ照明系统中的驱动构成如图１所示 。 １．３高亮度ＬＥＤ驱动芯片设计要求 为了提高ＬＥＤ最大电流利用空问和可靠性， 与传统照明光源相比，高亮度ＬＥＤ寿命长，这 是其应用被看好的主要原因，尤其是在可靠性要求 收稿日期：２０１０４）９—２１ ＬＥＤ推荐工作在额定电流的７０％～８０％，并且使用 恒流驱动。在使用恒流驱动或者ＰＷＭ脉冲电流调 一７１— ｜ 。 ． —』Ｌ 源Ｒ交流，直流适配 的１ ２／２４、＇直流输入 图１ ＬＥＤ照明系统驱动构成框图 光的应用中，电流最大值不宜超过最小值的３倍，否 则冲击电流会大大减少ＬＥＤ的使用寿命。必须降 低ＬＥＤ的工作温度以提高使用寿命，在ＬＥＤ驱动 电路的设计中必须考虑以下几个设计指标。 １）提高转换效率，减少功耗，特别是在电池和 电瓶供电的场合，这样不但可以延长一次充电的使 用时问，而且可以减少系统的发热量，降低工作 温度。 ２）提高电路的可靠性，电路必须有过压、欠压 和过流等保护电路，不能因为电路故障而造成ＬＥＤ 损坏。 ３）必须尽量减小变换器体积，降低成本。ＬＥＤ 驱动器在各种应用场合中还有各自的要求。例如， 电池供电的ＬＥＤ驱动器需有升压功能，并要求工作 到电池放电终止。在显示屏背光照明中要求ＬＥＤ 亮度均匀，并可多级调节亮度。汽车照明的ＬＥＤ驱 动器必须能够适应条件相当苛刻的汽车电源 总线 。。 ＬＥＤ驱动电路结构框图如图２所示。 图２ ＬＥＤ驱动电路结构框图 ７２一ＤＩＧｆＴＡＬ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ／２０１ １．２ ２ 高亮度Ｕ 驱动芯片常用电路简介 在设计ＬＥＤ灯时，通常我们需要考虑选用什么 样的ＬＥＤ驱动系统电路，因此ＬＥＤ驱动芯片中的 电路模块的配合设汁必须合理可行，才能保证其正 常工作，下面介绍几种高亮度ＬＥＤ驱动 片中的常 用电路。 ２．１带隙基准电压源 稳定的基准电压源是模拟集成电路和混合集 成电路中的重要模块，应用于诸如高精度比较器、 数据转换器、集成稳压器、射频电路等。带隙基准 因其良好的输出精度及稳定的温度特性被认为是 性能最佳也是应用范围最为普遍的基准源。 基准电压源广泛应用于模拟电路和数字电路 中（如：线性稳压器、Ａ／Ｄ转换器、Ｄ／Ａ转换器、 ＤＲＡＭ和ＦＬＡＳＨ存储器等），它的精度和稳定性直 接决定了整个系统的精度和性能。因此，在现实应 用中，为了提高整个ＬＥＤ驱动芯片的精确度、可靠 度等特性，常常需要１个不因电源电压和温度的变 化而产生太大变化的参考电压源。电压基准源有 基于正向ＶＢＥ的电压基准、基于齐纳二极管反向击 穿特性的电压基准、带隙电压基准等多种。其中， 带隙电压基准具有低温度系数、高电源抑制比、长 期稳定性并且可与标准ＣＭＯＳ工艺兼容等优点¨ 。 ２．２误差放大器 ＤＣ—ＤＣ变换器是通信设备和便携式设备中应 用最多的功能电路之一。因为其体积小、转换效率 高、外围电路简单和噪声低等优点，在移动电话、掌 上电脑、笔记本电脑等设备中及医疗、测试仪器等 领域得到了广泛应用。因此ＤＣ—ＤＣ转换也是 ＬＥＤ驱动芯片设计中常采用的设计方式。 误差放大器是ＤＣ—ＤＣ变换器中关键电路模 块，它通过放大输出电压分压后的反馈电压信号Ｖ０ 和基准电压ＶＲＥＦ的差值来控制变换器的占空比： 当输出电压升高时，ＶＦＢ也增大，大于ＶＲＥＦ，从而 误差放大器输出减小，占空比减小，开关管的导通 时问变短，导致输出电压减小；当输出电压降低时， ＶＦＢ减小，小于ＶＲＥＦ，误差放大器的输出增大，占 空比增大，开关管的导通时间变长，导致输出电压 增大。由此可知，误差放大器的性能直接决定着变 换器的稳定性和输出电压纹波的大小¨ 。 ２．３振荡器 振荡器是一种基本的波形发生电路，在很多领 域中都有广泛的应用，如ＰＷＭ控制电路、ＬＥＤ驱动 电路和ＤＣ．ＤＣ转换器。振荡器电路要求稳定性好、 振荡频率精度高、振荡频率可调范围广、波形好。 ＬＥＤ驱动电路要求输入电压在一定的范围内， 电路能正常工作。由于电路的输入电压也是控制 芯片的电源电压，这就对ＬＥＤ控制芯片内部的振荡 器提出了要求：振荡器的振荡频率应在输入电压的 正常工作范围内，对电源电压变化不敏感，同时根 据不同的ＰＷＭ控制模式，一般要求振荡器能产生 波形好的锯齿波或周期脉冲控制信号。 由于ＬＥＤ驱动芯片的振荡频率要求不高，所以 环路振荡器可适用于ＬＥＤ驱动芯片，然而传统的环 路振荡器频率随着电源电压的变化波动较大，因此 选用一种适用ＬＥＤ驱动芯片的ＣＭＯＳ振荡器，在环 路振荡器的基础上加入恒流源，稳定振荡频率，提 高电源抑制比是非常必要的 。 ３ 几种主要高亮度Ｕ 驱动芯片对比 应用到实际中的ＬＥＤ驱动电路总的分起来有２ 个方向，隔离型和非隔离型。非隔离型是指整流后 的电压直接驱动负载ＬＥＤ，而隔离型是指整流后的 电压先经过一次变压器绕组的变换，利用其次级绕 组来驱动负载ＬＥＤ，两种驱动方案的设计分别适合 应用于不同的场合。 目前，普遍使用的市电供电（２２０ Ｖ，１１０ Ｖ交流 供电）的ＬＥＤ驱动方法有２种，一是用ＲＣ降压的 方式，这种方式的电源驱动效率和功率因素都很 低，不仅对电网的污染很大，而且还会严重地缩短 ＬＥＤ的寿命；另一种方法是利用ＬＥＤ专用控制芯片 ＨＶ９９１０／ＱＸ９９１０或开关电源通用控制芯片来驱 动ＬＥＤ。 ３．１ ＨＶ９９１０与ＱＸ９９１０芯片 ＨＶ９９１０芯片有功耗低、效率较高、输入电压范 围较大等优点。由于其对驱动电流的选择范围比 较广，所以可调光的亮度范围也更大。该芯片的最 大优势和特色在于它的内部限流设计，也就是调光 方式。芯片可以有２种调光，其一是通过改变比较 器的比较区间来改变导通时间达到目的，其二是通 过改变Ｒｏｓｃ的振荡频率来完成。前者是通过调整 ＬＤ端的电压阈值获得，后者是改变Ｒｏｓｃ的外接电 阻获得。巧妙的是ＨＶ９９１０芯片将这２种调整方法 结合在一起，只利用了１个简单的ＲＳ触发器实现。 缺点在于过高的电压在没有及时反馈的情况下， ＭＯＳ管容易被击穿，ＬＥＤ会过流损坏，没采用抖频 设计方式，使得ＥＭＩ的调试很不方便。 ＱＸ９９１０芯片的优点在于其设计思路和ＨＶ９９１０很 像，但电路的结构有所不同，其最大的不同在于， Ｑｘ９９１０引入了１个ｏｆｆ－ｔｉｍｅ即关断时间装置实现了 关断时间固定，在恒流的过程当中，导通时间在变 化，开关频率在抖动，让其ＥＭＩ（电磁干扰）设计变 得容易。其缺点是如果输入电压过低，这个振荡频 率会落入音频范围之内，从而产生令人烦恼的电源 噪音；同时，芯片没有过压和过流保护电路，容易过 流损坏。 ３．２ Ｔｏｐ／Ｔｎｙ／Ｌｉｎｋ Ｓｗｉｔｃｈ通用控制芯片 利用Ｔｏｐ／Ｔｎｙ／Ｌｉｎｋ Ｓｗｉｔｃｈ通用控制芯片设计 的ＬＥＤ驱动芯片的优点是输入电压范围宽（达到最 大占空比ＤＣ…后内置ＭＯＳ管自动关断）、ＥＭＩ设计 简单（开关频率是抖频的）并具有欠压和过热保护 功能。在增加输出功率的同时，降低了芯片的功 耗，使电源效率得到进一步的提高。 其缺点是由于， ｉ 是由芯片的内部结构决定 的，这样就会导致驱动ＬＥＤ的并联支路数Ⅳ也是固 定的（Ｎ＝ＩＬｉｍｉｔ／，Ｄ， 是流过ＬＥＤ的额定电流），给 具体的设计应用带来很大的不便。另外此类通用 控制芯片主要通过内部的ＭＯＳＦＥＴ开关来进行开 关频率的控制，有较大的开关损耗。以上几种主要 的ＬＥＤ驱动芯片的优缺点对照如表１所示。 表１几种主要ＬＥＤ驱动芯片的优缺点对照 ７３— ４ 结 论 ＬＥＤ是一种新型半导体光源，具有照明效果 ［５］ 吴霆．ＬＥＤ显示与驱动方法综述［Ｊ］．广东海洋大学学 报，２００７，２７（４）：１０４—１０８． ［６］ 张赛，李冬梅．一种高效率白光ＬＥＤ驱动器的设计 ［Ｊ］．微电子学，２００７，３７（３）：４２８４３１． ［７］ ＱＩＮＧＣＯＮＧ Ｈ．ＲＥＧＡＮ ｚ．ＬＥＤ Ｄｒｉｖｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ Ｓｅ— ｔｉｅｓ・－Ｉｎｐｕｔ・・Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｃｅｌｌｓ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ Ｃｏｎｔｉｎ— 好、能耗低、寿命长、响应时间短、效率高的优点。 随着ＬＥＤ产业的技术进步、成本的进一步降低，以 及人们对环保、安全、节能及个性化需求的不断提 高，ＬＥＤ在各种领域的应用规模将不断扩大，它在 ｎＯＵＳ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ｉｃｓ，２０１０，２５（３）：５７４—５８２． 人们的工作生活中也将扮演越来越重要的角色。 要想把其作为稳定的发光用具，最大的一个问题就 是要解决其恒流驱动的问题，而ＬＥＤ光源驱动电路 复杂，使得ＬＥＤ在各个领域中的应用受到限制。要 真正实现用ＬＥＤ代替传统光源还有很多技术难题 需要解决。 ［８］ ＷＵ Ｃｈｉ—ｈａｏ，ＣＨＥＮ Ｌｉｎ．Ｈｉｇｈ—Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ—Ｒｅｇｕ— ｌａｔｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｐｕｍｐ ｆｏｒ ａ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｄｒｉｖｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｃｉｒｃ ａｎｄ Ｓｙｓｔ ＩＩ：Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｂｒｉｅｆｓ，２００９，５６（１０）： ７６３—７６７． ［９］ ＷＡＮＧ Ｂｅｉ～ｂｅｉ，ＲＵＡＮ Ｘｉｎ—ｂｏ，ＹＡＯ Ｍｉｎｇ—ｋａｉ．Ａ Ｍｅｔｈ－ ０ｄ ｏｆ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｅａｋ—ｔｏ—Ａｖｅｒａｇｅ Ｒａｔｉｏ ｏｆ ＬＥＤ Ｃｕｒｒｅｎｔ ＬＥＤ未来驱动方式的发展趋势是：先恒压，再线 ｏｒ Ｅｌｆｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＬｅＳＳ ＡＣ—ＤＣ Ｄｒｉｖｅｒｓ ｆ Ｊ １． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｉｓ，２０１０，２５（３）：５９２－６０１． 性恒流整合方式。电压保证在一定范围内适应负载 需要，按ＬＥＤ有不同的Ｖ 值３～３．６ Ｖ之间，按ＬＥＤ 实际数量乘以３ Ｖ计算出最低值，再按３．６ Ｖ电压乘 以数量计算出最大可能电压值，最终确定电源部分需 要调整的电压范围。再线性恒流源后端恒流，可以多 ［１０］ 江金光，王耀南．高精度带隙基准电压源的实现［Ｊ］． 半导体学报，２００４，２５（７）：８５２—８５６． ［１１］ 邹连英，郑朝霞，肖靖帆．一种用于ＤＣ—ＤＣ转换器的 误差放大器［Ｊ］．舰船电子工程，２００９（３）：１７９—１８２． ［１２］ 陈国安，夏晓娟．一款用于ＬＥＤ驱动芯片的ＣＭＯＳ 振荡器［Ｊ］．电子器件，２００７，３０（３）：８９０—８９３． ［１ ３］ＴＡＧＵＣＨＩ Ｔ．Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｏａｄｍａｐ ｉｎ Ｊａｐａｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｖｉｓｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００７，３０（３）：１７７－１８２． 路恒流源并联使用，也可以单路多个恒流源增加电流 使用。总之，随着技术的不断完善，我们的日常生活 会因ＬＥＤ而变得多姿多彩 １３－１５］。 参考文献： 方佩敏．ＬＥＤ的发展概况［Ｊ］．今日电子，２００６（８）： ３７４１． ［１４］ 韩霜．ＬＥＤ照明多领域渗透高效节能带来光明前案 ［Ｊ］．世界电子元器件，２００９（１２）：６５－６６． ［１５］ 茅于海．ＬＥＤ供电到底是采用恒压电源还是恒流电 ［２］ 李强．超高亮度ＬＥＤ技术及其应用的概述［Ｊ］．连云港 源［ＪＩ．中国照明，２００９（１２）：５４—５８． 作者简介： 洪峰（】９８７一），男，江西南昌人，硕士研究生，主要研 师范高等专科学校学报，２００７（１）：９３—９５． ［３］ 平立．白光ＬＥＤ驱动综述［Ｊ］．现代显示，２００６（６）： ４４４９． 究方向为模拟集成电路设计；满 瑞（１９８６一），男，湖北恩 施人，硕士研究生，主要研究方向为模拟集成电路设计。 ［４］ 黎平，周雒维．高亮度ＬＥＤ驱动器概述［Ｊ］．电气应用， ２００７，２６（６）：６—１０． 更正启事 因排版错误，本刊２０１ １年第１期文章＜＜Ｓａｖｉｔｚｋｙ—Ｇｏｌａｙ平滑滤波器的最ｔｂ￣－乘拟合原理综述》的作者信息应为“蔡天净 王武蕾。，唐瀚“’，特此更正。 ——７４——ＤＩＧＩＴＡＬ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ／２０１ １．２