线性LED驱动器IC为何必然替代偏压电阻器
2009-06-17 16:21:15
来源：《半导体器件应用》2009年6月刊
1 引言
利用简单的电阻器限制LED串中的电流看似最为经济和简便，那么为何还要费尽心思地使用线性驱动器IC？
实际上，线性驱动器所带来的益处要远远超过高出电阻器的购买价格。其主要优势包括：
① 避免复杂、昂贵的物流（补偿不断变化的正向电压需要不同型号的电阻器）。通过脉宽调制（PWM）方式调节亮度；
② 由于可采用不稳定的系统电源，降低了系统成本；
③ 减少了所需的板卡空间；
④ LED串可利用更多的LED，提高了系统效率；
⑤ 理想的LED偏置和保护功能，最大限度延长使用寿命。
在许多应用中，例如标志牌、彩虹管、广告牌、建筑照明灯、汽车照明灯、飞机照明灯等，线性驱动器都可满足相关应用的需求。
除上述优势外，对于采用电池供电且需要对电源电压进行升压的移动设备，线性驱动器也有其局限性。
下文将介绍该线性LED驱动器的优势，并为LED驱动器的部署提供建议。
2 恒流优势
因LED具有二极管特性，需要恒定电流源，而不是恒定电压源。利用串联电阻器使LED电流保持恒定需要很大的电阻器压降，因此会降低系统效率。另一方面，如果系统电压或LED正向电压发生变化，串联电阻器的小电压降会导致所需的LED电流出现较大偏差。
维持恒定的LED电流，可防止因系统电压或LED正向电压变化产生的过流所导致的过热使LED受损。根据不同的LED正向电压调整串联电阻器的方法已经过时。LED驱动器有助于提高整个系统的亮度精确度，同时最大程度减少发光质量的降低。
图1显示采用三个标称正向电流为350mA的LED的汽车应用。选择串联电阻器困难很大：在低电池电压条件下，正向电流较低，LED亮度不足。如果出现瞬变（负载突降、双电池），LED很可能受损。在低电池电压条件下，恒流源可防止LED受损，提供更强的亮度。
3 极低压降提高系统效率
LED串中最大LED数量主要取决于电阻器或LED驱动器的压降。如果采用电阻器，要想获得最恒定的电流需要较大的压降。然而，这就意味着要产生热量而不是光。线性LED驱动器可用于较低的压降，提供恒定电流。这样就可以在LED串中实现更多的LED，提高整个系统的效率。TLE 42xx系列的典型压降为0.5V，最大压降为0.7V，BCR 4xx系列的典型压降为1.2V，最大压降为1.5V。
4 无需无源滤波组件
与通过升至高压为长LED链路供电的开关模式转换器不同，并联LED串独具优势：由于线性驱动器不发光，因此无需采用无源滤波组件。
5 用作高侧开关
英飞凌线性LED驱动器可通过逻辑信号关闭。TLE 4241和TLE 4242 LED驱动器在关断模式下，静态电流不足1μA，这使得它们适合用作高侧开关。
6 通过PWM调节亮度
采取两种途径调节LED的亮度：调节LED的正向电流或对预定义正向电流进行PWM。鉴于以下两点原因，建议不要采用调节正向电流的方法：首先，LED在亮度范围内，并没有在最佳效率点工作；其次，正向电流不同于标称LED电流可能会导致输出的灯光颜色改变。PWM亮度调节通过低频PWM信号调节LED输入，可解决上述两个问题。LED在单电流驱动电平条件下导通，其亮度可通过改变LED导通的平均时间进行调节。根据负载周期，该频率不应低于200Hz；通常情况下，500Hz至1kHz足以使用。PWM控制装置集成至TLE 4241、TLE 4242或BCR 450等单芯片解决方案。英飞凌BCR 40x LED驱动器系列允许通过外部数字晶体管完成PWM亮度调节。
7 LED诊断
为了识别故障LED，TLE 42xx系列可在状态输出条件下，指示开路负载情况。还可直接与采用至VCC的上拉电阻器的微处理器连接。
图2和图3显示采用英飞凌LED驱动器的不同应用。
8 保护与安全
LED通常具有正温度系数，即LED正向电压随着LED温度的升高而降低，导致LED随着温度上升消耗更大的电流。这将潜在地导致热量失控和LED损毁。因此，需要对二极管电流进行控制，使其保持恒定。
英飞凌TLE 4xxx与BCR 4xx线性恒流LED驱动器适用于恶劣的环境，例如交通照明、建筑物照明、铁路、交通或汽车应用。该产品允许瞬变电压高达45V（由型号决定），可在高达150℃的结温下工作，承受很高的发热温度。如果系统出现故障，过流与过温保护功能可保护IC及其应用。TLE 4xxx系列能够承受反向连接电源电压。
9 散热与传热
在系统电压不断变化的条件下，为了最大限度减少热量产生，获得恒定亮度，LED正向电压最大值应接近（但等于或低于）供电电压减去LED驱动器压降。当LED正向电压为最小值，输入电压为最大值时，LED驱动器的损耗最大。
散热和防止PCB出现温度梯度的方式：
① 并联使用几个小型且经济实惠的封装，但需要使其在PCB上各自分离；
② 使驱动器电路与功率晶体管（参见图2a）分离，该原理也可使功率晶体管适应实际所需的二极管电流；
③ 采用高性能TAB封装（如小型SCT595或大型TO263封装），实现与PCB良好的热接触，将热阻降至最低。
10 总结
利用线性恒流LED驱动器驱动LED是最经济有效的方法。它的灵活性以及技术优势可提高效率，优化系统成本，促进LED应用的普及。
英飞凌提供全面的专用线性驱动器IC，从适用于65mA电流且独立运作的极低成本恒流源IC（BCR 40x系列，例如BCR 405、BCR 402U、BCR 402W、BCR 401R）到具备诊断功能的高性能驱动器IC（TLE 42xx系列，例如TLE 4240、TLE 4241、TLE 4242）。
参考
[1] 应用指南066：http://www.infineon.com/cms/en/services/download.html?filename=%2fdgdl%2fAN066.pdf%3ffolderId%3ddb3a30431400ef68011407aaa4500184%26fileId%3ddb3a30431400ef68011407bf6d83018a&location=Products.Small_Signal_Discretes.LED_Driver___Active_Bias_Controller.LED_Driver.PRODUCT_TYPE_DOCUMENTS.AN066.pdf
[2] 应用指南101：http://www.infineon.com/dgdl/AN101_BCR400_LED_Driver.pdf?folderId=db3a304412b407950112b40d4ab00d4a&fileId=db3a304412b407950112b40e08d41019
作者
Joachim Glaeser，英飞凌汽车功率器件高级应用工程师
Hakan Yilmazer ，英飞凌硅分立器件高级专家
利用简单的电阻器限制LED串中的电流看似最为经济和简便，那么为何还要费尽心思地使用线性驱动器IC？
实际上，线性驱动器所带来的益处要远远超过高出电阻器的购买价格。其主要优势包括：
① 避免复杂、昂贵的物流（补偿不断变化的正向电压需要不同型号的电阻器）。通过脉宽调制（PWM）方式调节亮度；
② 由于可采用不稳定的系统电源，降低了系统成本；
③ 减少了所需的板卡空间；
④ LED串可利用更多的LED，提高了系统效率；
⑤ 理想的LED偏置和保护功能，最大限度延长使用寿命。
在许多应用中，例如标志牌、彩虹管、广告牌、建筑照明灯、汽车照明灯、飞机照明灯等，线性驱动器都可满足相关应用的需求。
除上述优势外，对于采用电池供电且需要对电源电压进行升压的移动设备，线性驱动器也有其局限性。
下文将介绍该线性LED驱动器的优势，并为LED驱动器的部署提供建议。
2 恒流优势
因LED具有二极管特性，需要恒定电流源，而不是恒定电压源。利用串联电阻器使LED电流保持恒定需要很大的电阻器压降，因此会降低系统效率。另一方面，如果系统电压或LED正向电压发生变化，串联电阻器的小电压降会导致所需的LED电流出现较大偏差。
维持恒定的LED电流，可防止因系统电压或LED正向电压变化产生的过流所导致的过热使LED受损。根据不同的LED正向电压调整串联电阻器的方法已经过时。LED驱动器有助于提高整个系统的亮度精确度，同时最大程度减少发光质量的降低。
图1显示采用三个标称正向电流为350mA的LED的汽车应用。选择串联电阻器困难很大：在低电池电压条件下，正向电流较低，LED亮度不足。如果出现瞬变（负载突降、双电池），LED很可能受损。在低电池电压条件下，恒流源可防止LED受损，提供更强的亮度。
3 极低压降提高系统效率
LED串中最大LED数量主要取决于电阻器或LED驱动器的压降。如果采用电阻器，要想获得最恒定的电流需要较大的压降。然而，这就意味着要产生热量而不是光。线性LED驱动器可用于较低的压降，提供恒定电流。这样就可以在LED串中实现更多的LED，提高整个系统的效率。TLE 42xx系列的典型压降为0.5V，最大压降为0.7V，BCR 4xx系列的典型压降为1.2V，最大压降为1.5V。
4 无需无源滤波组件
与通过升至高压为长LED链路供电的开关模式转换器不同，并联LED串独具优势：由于线性驱动器不发光，因此无需采用无源滤波组件。
5 用作高侧开关
英飞凌线性LED驱动器可通过逻辑信号关闭。TLE 4241和TLE 4242 LED驱动器在关断模式下，静态电流不足1μA，这使得它们适合用作高侧开关。
6 通过PWM调节亮度
采取两种途径调节LED的亮度：调节LED的正向电流或对预定义正向电流进行PWM。鉴于以下两点原因，建议不要采用调节正向电流的方法：首先，LED在亮度范围内，并没有在最佳效率点工作；其次，正向电流不同于标称LED电流可能会导致输出的灯光颜色改变。PWM亮度调节通过低频PWM信号调节LED输入，可解决上述两个问题。LED在单电流驱动电平条件下导通，其亮度可通过改变LED导通的平均时间进行调节。根据负载周期，该频率不应低于200Hz；通常情况下，500Hz至1kHz足以使用。PWM控制装置集成至TLE 4241、TLE 4242或BCR 450等单芯片解决方案。英飞凌BCR 40x LED驱动器系列允许通过外部数字晶体管完成PWM亮度调节。
7 LED诊断
为了识别故障LED，TLE 42xx系列可在状态输出条件下，指示开路负载情况。还可直接与采用至VCC的上拉电阻器的微处理器连接。
图2和图3显示采用英飞凌LED驱动器的不同应用。
8 保护与安全
LED通常具有正温度系数，即LED正向电压随着LED温度的升高而降低，导致LED随着温度上升消耗更大的电流。这将潜在地导致热量失控和LED损毁。因此，需要对二极管电流进行控制，使其保持恒定。
英飞凌TLE 4xxx与BCR 4xx线性恒流LED驱动器适用于恶劣的环境，例如交通照明、建筑物照明、铁路、交通或汽车应用。该产品允许瞬变电压高达45V（由型号决定），可在高达150℃的结温下工作，承受很高的发热温度。如果系统出现故障，过流与过温保护功能可保护IC及其应用。TLE 4xxx系列能够承受反向连接电源电压。
9 散热与传热
在系统电压不断变化的条件下，为了最大限度减少热量产生，获得恒定亮度，LED正向电压最大值应接近（但等于或低于）供电电压减去LED驱动器压降。当LED正向电压为最小值，输入电压为最大值时，LED驱动器的损耗最大。
散热和防止PCB出现温度梯度的方式：
① 并联使用几个小型且经济实惠的封装，但需要使其在PCB上各自分离；
② 使驱动器电路与功率晶体管（参见图2a）分离，该原理也可使功率晶体管适应实际所需的二极管电流；
③ 采用高性能TAB封装（如小型SCT595或大型TO263封装），实现与PCB良好的热接触，将热阻降至最低。
10 总结
利用线性恒流LED驱动器驱动LED是最经济有效的方法。它的灵活性以及技术优势可提高效率，优化系统成本，促进LED应用的普及。
英飞凌提供全面的专用线性驱动器IC，从适用于65mA电流且独立运作的极低成本恒流源IC（BCR 40x系列，例如BCR 405、BCR 402U、BCR 402W、BCR 401R）到具备诊断功能的高性能驱动器IC（TLE 42xx系列，例如TLE 4240、TLE 4241、TLE 4242）。
参考
[1] 应用指南066：http://www.infineon.com/cms/en/services/download.html?filename=%2fdgdl%2fAN066.pdf%3ffolderId%3ddb3a30431400ef68011407aaa4500184%26fileId%3ddb3a30431400ef68011407bf6d83018a&location=Products.Small_Signal_Discretes.LED_Driver___Active_Bias_Controller.LED_Driver.PRODUCT_TYPE_DOCUMENTS.AN066.pdf
[2] 应用指南101：http://www.infineon.com/dgdl/AN101_BCR400_LED_Driver.pdf?folderId=db3a304412b407950112b40d4ab00d4a&fileId=db3a304412b407950112b40e08d41019
作者
Joachim Glaeser，英飞凌汽车功率器件高级应用工程师
Hakan Yilmazer ，英飞凌硅分立器件高级专家
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