發(fā)光二極管( LED) 是一種固態(tài)光源，利用半導(dǎo)體中的電子和空穴相結(jié)合而發(fā)出光子，每種LED 所發(fā)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(fā)光波長(zhǎng)很接近，因此每顆LED 的顏色都很純正，最常見(jiàn)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(shí)排列方式又有很大的靈活性，這是它比一般光源優(yōu)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(jiǎn)單。

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

　　隨著LED 亮度的逐漸增強(qiáng)，LED 也逐漸由室內(nèi)擴(kuò)展到戶外應(yīng)用，例如戶外廣告、交通信號(hào)、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(diǎn)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(guó)特別是美國(guó)和日本都把這種固態(tài)光源看作最具有發(fā)展前景的照明光源，并為研發(fā)應(yīng)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(yīng)用于普通照明，我國(guó)也為此制定了中長(zhǎng)期的研發(fā)規(guī)劃。

　　與一般的半導(dǎo)體PN 結(jié)一樣，LED 的正向?qū)�通壓降隨導(dǎo)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(lái)源為L(zhǎng)uxeon Star 的技術(shù)數(shù)據(jù)，表2 和圖1 也來(lái)自該公司的數(shù)據(jù)) ，不同顏色的LED 的導(dǎo)通壓降也不盡相同。

表1 LED 的電特性( 電流為350mA、結(jié)溫Tj = 25℃ 時(shí))

表2 LED 的光特性( 電流為350mA、結(jié)溫Tj = 25℃ 時(shí))

　　各種LED 的發(fā)光強(qiáng)度隨其發(fā)光顏色不同而有所差異，如表2 所列。其正向壓降VF和光強(qiáng)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(guò)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(lián)供電，而且是恒流的，流經(jīng)管子的電流為定值，以保持穩(wěn)定的光輸出。作為L(zhǎng)ED 的驅(qū)動(dòng)芯片，要求其輸出具有恒流特性，對(duì)串聯(lián)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(diǎn)和光電參數(shù)之后，我們有選擇地介紹一些恒流驅(qū)動(dòng)LED 芯片，本文擬介紹ST公司的芯片Viper12 /22A 和我國(guó)昂寶公司的3 種芯片。這類驅(qū)動(dòng)芯片就其工作原理來(lái)說(shuō)，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(qū)動(dòng)芯片之一:Viper12 /22A 芯片

　　Viper12 /22A 芯片是一種開(kāi)關(guān)電源芯片，具有恒流輸出特性，主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管( LED) ，或做電池充電適配器、電視機(jī)和監(jiān)視器的備用電源、馬達(dá)控制器的輔助電源等等。

　　2. 1 Viper12 /22A 的特點(diǎn)

　　Viper12 /22A 是一種專用的電流模式PWM 控制器，其中含有一個(gè)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(nèi)部的控制線路使芯片具有以下特點(diǎn):

　　(1) 采用脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率是固定的，為60kHz;

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

　　(3) 在輕負(fù)載下(MOS 管漏極電流只有最大極限值IDlim的12% 時(shí)，例如幾十毫安) 電路進(jìn)入自動(dòng)突發(fā)模式(Automatic burst mode，此時(shí)，為適應(yīng)電路調(diào)整的要求，MOS 管開(kāi)通時(shí)間會(huì)變得很短，以致要丟失幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期才出現(xiàn)脈沖，故稱為突發(fā)模式) ;而在過(guò)壓時(shí)，則工作在打嗝模式(Hiccup mode) ;

　　(4) 采用電流模式控制的脈寬調(diào)制;

　　(5)VDD 有欠電壓封鎖功能、且有回差;

　　(6) 有過(guò)溫、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，并能自動(dòng)再啟動(dòng);

　　(7) 驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)LED 時(shí)，根據(jù)LED的功率大小，所能驅(qū)動(dòng)的LED 數(shù)量如表3 所列。

表3 Viper12A 和Viper22A 所能驅(qū)動(dòng)的LED 數(shù)量

　　由于每個(gè)管子的導(dǎo)通壓降3. 5V，Viper12A 和Viper22A 的輸出電壓根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的LED 數(shù)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(duì)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(nèi)部，由一個(gè)有回差的比較器來(lái)監(jiān)控VDD 電壓。比較器有2 個(gè)閾值:

　　VDDon( 典型值為14. 5V) ，在此電壓下器件開(kāi)始開(kāi)關(guān)振蕩，并關(guān)斷啟動(dòng)電流源;VDDoff( 典型值為8V) ，在此電壓下器件中斷開(kāi)關(guān)振蕩，并接通啟動(dòng)電流源。

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

　　(3)DRAIN( 漏極5、6、7、8 腳) :功率MOS 管的漏極，內(nèi)部的高壓電流源也連到此腳，在啟動(dòng)時(shí)，該電流源對(duì)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(guò)反饋改變流入FB 腳的電流及電壓，來(lái)調(diào)整MOS管的漏極電流及輸出電流。當(dāng)FB 腳電壓為0 時(shí)，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(qū)動(dòng)器電路

　　用Viper12A 組成的LED 恒流驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(jīng)過(guò)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(fù)載，變壓器降壓副邊繞組的電壓，通過(guò)二極管VD3整流，C7濾波，輸出直流電壓，加到端子1、2，用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)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(jīng)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(gòu)成;電阻R2及電容C3是變壓器原邊的緩沖網(wǎng)絡(luò)( 也稱阻尼網(wǎng)絡(luò)) ，用以消除變壓器原邊繞組在開(kāi)關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)電壓，以保護(hù)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(duì)外電路的電磁干擾。

　　控制電流的恒流過(guò)程如下:

　　LED 的電流由電阻R6檢測(cè)，經(jīng)R10加到雙運(yùn)放TMS103 中一個(gè)運(yùn)放的反相端V2 －，其同相端V2 +則由基準(zhǔn)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(gè)運(yùn)放的反相端V1 －，其同相端V1 +則直接由基準(zhǔn)電壓VREF提供。2 個(gè)運(yùn)放的輸出相“或”后，加到光耦器件H11A817A 的發(fā)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(jìn)而控制流入Viper12 /22A的FB 端的電流，借以調(diào)整IC 的輸出脈沖寬度，改變MOS 管的漏極電流，從而使Viper12A 的驅(qū)動(dòng)具有恒流輸出的特性。有關(guān)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(duì)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，F(xiàn)B 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(huà)出了Viper12A 內(nèi)部的有關(guān)部分，以便于說(shuō)明FB 腳的控制作用。

　　由MOS 管流出的監(jiān)測(cè)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(lái)的反饋電流IFB相疊加，由于MOS 管在脈沖控制下流過(guò)變壓器原邊的電流是一個(gè)線性上升的電流，所以IS也是一個(gè)線性上升的電流，當(dāng)上升到其峰值，且在IC 內(nèi)部電阻R2上產(chǎn)生的電壓和比較器的基準(zhǔn)電壓0. 23V相等時(shí)，MOS 管關(guān)斷，電流不再增加。此時(shí)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(dāng)VFB = 0 時(shí)，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(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)B 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(dá)不到式(3 ) 所表示的最大值。但是，當(dāng)光耦關(guān)斷時(shí)( 啟動(dòng)或短路) ，電容C6上的電壓將非常接近于0V。此時(shí)，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(jìn)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(dāng)IFB為負(fù)值且VFB為0 時(shí)，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(yùn)放TSM103 的一個(gè)運(yùn)放的反相端V2 －的輸入電壓降低，運(yùn)放的輸出將變高，光耦器件的發(fā)光二極管下端電位提高，使流過(guò)光耦器件的電流減少，進(jìn)而使IFB電流減小，通過(guò)FB 腳的控制作用，外接MOS 管的漏極電流峰值IDP增加，結(jié)果流過(guò)LED 的電流上升，進(jìn)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(guò)LED 的電流保持恒定。

圖5 FB 腳電流IFB對(duì)MOS 管漏極電流峰值IDP的控制

　　通過(guò)改變圖3 中LED 的檢測(cè)電阻R6的阻值，例如減少為其原來(lái)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(lái)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(lái)驅(qū)動(dòng)3W( Io= 700mA) 和5W( Io = 1. 05A) 的LED。

　　2. 3. 3 電路中變壓器的設(shè)計(jì)

　　在恒流輸出的電源中，變壓器的設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的。因?yàn)镮C 器件可能驅(qū)動(dòng)1 ～ 4 個(gè)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(shè)計(jì)變壓器時(shí)必須考慮到以下3 點(diǎn):

　　(1) VDD在低電壓時(shí)為9V，在過(guò)電壓時(shí)，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(yīng)根據(jù)外接LED 數(shù)目為最大時(shí)設(shè)計(jì)，當(dāng)外接LED 減少時(shí)，變壓器的反射電壓亦隨之減少。如按1 個(gè)LED 進(jìn)行設(shè)計(jì)，則當(dāng)LED 增加為4 個(gè)時(shí)，變壓器的反射電壓將增加4 倍，就有可能超過(guò)Viper 耐壓的額定值。副邊繞組與VDD輔助繞組的匝比則應(yīng)根據(jù)1 個(gè)LED 時(shí)、VDD的最低電壓為9V 來(lái)設(shè)計(jì)。當(dāng)LED 增加為4 個(gè)時(shí)，VDD亦將按比例增加。根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)的變壓器參數(shù)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(dāng)Viper12A /22A 導(dǎo)通時(shí)，變壓器的原邊繞組儲(chǔ)存磁能;而當(dāng)Viper12A /22A 截止時(shí)，能量將轉(zhuǎn)移到副邊繞組和VDD繞組中，為Viper12A /22A 提供偏壓，并為驅(qū)動(dòng)LED 燈提供能量。

　　圖3 電路的缺點(diǎn)是:電路比較復(fù)雜，需要另加光耦和運(yùn)放，成本也較高。優(yōu)點(diǎn)是不用外接MOS 管，占面積小。

　　2. 4 用Viper22A 組成的LED 恒流驅(qū)動(dòng)器電路

　　Viper22A 的功率稍大，其驅(qū)動(dòng)LED 的電路與圖3 相似，如圖6 所示。這里對(duì)電路的工作亦不再過(guò)多說(shuō)明(在變壓器原邊繞組加二極管及穩(wěn)壓二極管是為了限制在開(kāi)關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)的反峰電壓) ，讀者參照?qǐng)D3，不難了解每個(gè)元件的作用。

　　2. 5 用Viper22A 組成的非隔離型LED 驅(qū)動(dòng)電路

　　上述LED 供電電路，其輸入的中線和輸出的地線并沒(méi)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(gè)電路中，輸入電壓經(jīng)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(jīng)L2、C6濾波后的直流電壓為L(zhǎng)ED 供電。同時(shí)，輸出電壓還經(jīng)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(qū)動(dòng)LED 管，故又稱為降壓型電路。此電路比較簡(jiǎn)單，成本較低。

　　稍微改變一下元件參數(shù)，可以得到不同的輸出電壓和電流。它適用于驅(qū)動(dòng)小型的LED 顯示器、繼電器、AC 開(kāi)關(guān)等。

圖6 用Viper22A 組成的恒流LED 驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)芯片工作原理之后，下面再介紹我國(guó)上海昂寶公司生產(chǎn)的LED 驅(qū)動(dòng)芯片，它適用于90 ～ 264V 的全電壓范圍，按功率范圍分成3個(gè)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(dāng)于ST 公司的L6563 ) ，也可以只采用OB6663 1 塊芯片。下面對(duì)3 種芯片分別進(jìn)行介紹。