作者：Alan Yang
本文归纳了LED的几个特性：非线性、发光强度与流经的电流大致成正比、每一个LED的前向电压都不完全相同。基于这样的特性，选择恒流源作为驱动电源有很明显的优势。进而，我们从实际应用的角度出发，介绍了几种LED恒流源设计方案以及相关的资源，帮助大家形成一个从概念到实战的完整LED驱动设计的“套路”。
随着LED在各个领域的不同应用需求, LED驱动电路也在不断进步和发展。本文从LED的特性入手，推导出适合LED的电源驱动类型，再进一步介绍各类LED驱动设计。
设计必读：LED四个关键特性
在设计LED电路之前，我们先来了解下LED的几个特性：
特性一：非线性。以QT Brightek HP686-IWH-CW举例，电压0-2.5V不发光，2.5V逐渐开始发光，到3.4V时发光最亮。电压继续上升，很快就会烧坏。所以LED工作在很窄的前向电压范围内。
图1，前向电压VS电流 （QT Brightek HP686-IWH-CW）
特性二：发光强度与流经的电流大致成正比。详见以下图2。
图2，电流VS发光强度 （QT Brightek HP686-IWH-CW）
特性三：每一个LED的前向电压都不完全相同。 即使是同一个供应商的同一批物料，也会存在着差异。比如QT Brightek HP686-IWH-CW在前向电流150mA的情况下，前向电压范围从最小2.8V到最大3.4V。绝大多数供应商在LED制作过程中都先按LED颜色来分类，很多相同颜色的LED可能来自于不用的批次。
图3，前向电压（QT Brightek HP686-IWH-CW）
特性四：LED的前向电压还会随着环境温度的变换而变换。一般是在相同的电流下，温度越高，所需的电压会下降。
图 4 电压与温度（Samsung SPMWHT541MP5WAPKS4）
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选择恒流源：解决前向电压差异大问题
在LED驱动中往往是用恒流源而非恒压源。恒流源作为LED驱动电源有很明显的优势。
- 在一个串联LED电路中，即使LED的前向电压有所差异，相同的电流使他们的亮度基本相同。
- 当温度变化时，恒流源自动调节保持输出电流恒定，从而保证LED发光强度恒定。而恒压源10%的电压波动很可能造成50%的电流波动。
- 当串联LED时，任何一个LED不会过载。且任何一个LED短路，其他LED继续正常工作。
图5，LED串联
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设计实战：LED恒流源方案选型
1.最简单的恒流源：电压源加电阻
电阻起的作用是在供电电源波动时，稳定电流的波动，同时限制最大电流。图5中，供电电源如果有10%的电压波动，LED也会有10%的前向电压波动，这可能会引起LED电流50%的波动，这不是一个非常可靠地设计。如果把最后一个LED换成一个电阻，如图6所示，如果电阻两端的电压与LED的正向导通电压一样，LED正向导通电压增加10%，电流增加幅度也大概为10%。此方案最为简单但是功耗很大。
图6，电压源加电阻的恒流源
2. 使用线性稳压器做恒流源
使用线性稳压器组成恒流电路：I=Ig+Vref/R。其中Vref是Pin Vout与Pin ADJ之间的参考电压。
比如On semi LM317MBDTRKG的Vref=1.25V，为了电流达到150mA，电阻值可以取1.25V/150mA≈8.45 ohm。
Ig为Pin ADJ的漏电流，该电流非常小，On semi LM317MBDTRKG的Ig最大值为0.1mA. 对于一些精度要求不是特别高的场合常常可以忽略。线性稳压器做恒流源同样有着很大的功耗。
图7，线性稳压器做恒流源
资源链接：Digi-Key线性稳压器大全，请点击查看。
3. 压控恒流源
该方案使用一个运算放大器作为比较器，形成一个反馈回路。I = Vmcu/R。其中Vmcu一般接MCU, 该方案可以达到很高的电流控制精度，并且电流可由MCU控制。缺点还是功耗大。
图8，压控恒流源
资源链接：Digi-Key运算放大器大全，请点击查看。
4. 开关稳流器
这种方案价格往往会比较贵一点，但是各方面的要求都比较兼顾。比如Recom RCD-24-0.35转换效率可以高到96%，输出电流精度可以达到±3%，输入输出电压范围也比较宽。
图9，开关稳流器
资源链接：Digi-Key LED驱动器大全，请点击查看。
5. LED驱动专用芯片
Digi-Key有针对各种不同领域的专用驱动芯片和模块。使用专用驱动芯片和模块，有时可以大大减少设计开发周期。
总结
本文归纳了LED的几个特性：非线性、发光强度与流经的电流大致成正比、每一个LED的前向电压都不完全相同。基于这样的特性，选择恒流源作为驱动电源有很明显的优势。进而，我们从实际应用的角度出发，介绍了几种LED恒流源设计方案以及相关的资源，帮助大家形成一个从概念到实战的完整LED驱动设计的“套路”。
参考文献：RECOM DC/DC转换器知识手册及实用技巧及用户实用技巧 – Recom Steve Roberts
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