本文將介紹一個控制高亮度LED電流的簡單電路，它包含一個標準型號的高度整合降壓型切換式穩壓器，可以精確控制LED的電流，是一個以125kHz固定頻率運作的直流─直流轉換器，而7.5V到76V的寬廣輸入電壓範圍更使得它特別適合汽車應用，在亮度控制方面，則提供了類比（線性點亮）或低頻有效週期率調變（PWM點亮）等選擇。
高亮度LED技術介紹
在過去幾年，高亮度LED已經逐漸成為各種應用的照明來源選擇，高亮度LED是一個穩固且可靠的半導體元件，能夠承受數萬次的開關，並可達到10萬小時的操作壽命，這樣的效能表現代表其可用時間比傳統的白熾燈或鹵素燈要高上許多，因此，高亮度LED的應用可以見諸於汽車車燈、公共與商用號誌與建築照明等場合。
高亮度LED基本上是一個能夠在正向偏壓情況下產生白、紅、綠與藍光的P/N接面半導體元件，當然也可以提供例如琥珀色與其他色彩，由於本身是一個P/N接面，因此LED與傳統二極體一樣有著類似的電壓相對於電流特性，不同的是接面電壓的壓降較大，在達到正向電壓VF前，只有少量電流會流經LED，直到達到正向電壓VF（範圍由紅色LED的2.5V到藍色LED的4.5V）時，就和傳統二極體一樣，電流會快速增加，因此設計工程師必須得加入電流限制功能以避免可能的傷害，而電流的限制可以透過三種方法解決，分別各有不同的優點與缺點，如(表一)所示。
表一 各種電流限制方法的比較
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電流
限制方法
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優點
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缺點
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串聯元件功率耗損[註]
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電阻式 |
成本低。
只需一顆元件（較大型）。 |
無法控制電流精確度。
電流會受電源電壓變化影響。
電阻上功率耗損大，必須注意調整。 | 2.8W |
主動式
線性控制 |
線性控制迴路可精確控制LED電流。
可透過電流進行點亮控制。
可透過振幅控制或低頻PWM點亮。
可自動針對LED特性進行溫度補償。 |
成本比簡單電阻式限流器高。
在同樣電源電壓下耗損大約與電阻式限流器相同。
可能需要在電流經過的主動式元件加上散熱機制。 |
2.8W |
切換式
穩壓控制 |
可精確控制LED電流的控制迴路。
可透過振幅控制或低頻PWM點亮。
可自動針對LED特性進行溫度補償。
可在寬廣輸入電壓範圍內達到有效高效率運作。
大多不需散熱機制，可節省成本並降低電路複雜度。
可提供其他需要較高輸入電壓與較大LED電流，卻可能造成無法忍受耗損應用的LED電源。 |
成本比電阻式與線性控制方式高。
必須細心設計以減輕EMI問題。
主動式電路雖然需要佔用較大電路空間，但其他方法則可能需要更多硬體與實際散熱空間。 |
<0.8W |
高亮度LED切換式電源
高亮度LED電源是以輸出電流1A，採固定頻率運作的高度整合PWM切換式轉換器MAX5035為基礎所架構，如(圖一)
＜圖註：將控制電壓由0V改變到3.9V會讓這個LED電流驅動器在LED_A與LED_K接腳間產生350mA到0mA的輸出電流＞
此外還提供有500mA輸出電流的系列元件MAX5033，這些搭配電感的降壓式穩壓器晶片可以精確控制流經LED或採串列方式連接LED的電流，整體電壓可高達12V。MAX5035切換頻率為125kHz，輸入電壓範圍可高達76V（輸入電壓越高，輸入電容與二極體的要求也越高），因此該電路可以在寬廣的輸入電壓範圍內維持LED電流不變，表二提供了這個電路的規格。
表二 圖一中電路的參數
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參數
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值
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最小輸入電壓 |
7.5V（大部分單一LED情況） |
最高輸入電壓 |
30V（受D1與C8、C9限制） |
最大輸出電流 |
350mA（VControl=0V時） |
最高輸出電壓 |
12V（350mA輸出，由MAX5035內部控制） |
控制電壓範圍（VControl） |
0V（最大電流）到3.9V（完全點亮） |
LED電流的控制是透過在圖一電路中的控制端點（Control）加上電壓來達成，(圖二)、(圖三)則為這個控制技術的效率表現，控制電壓與三個並聯電流感測電阻上的電壓加總，然後加到晶片的反饋端點FB，晶片中的控制迴路會將FB接腳上的電壓穩定維持在接近1.22V，因此，更高的控制電壓會帶來更低的電流，原因是控制電壓與由R1與R5所控制電流感測電阻電壓總合必須永遠等於1.22V。
| 《圖三 推動一、二或三個串聯綠光350mA LED時效率相對於LED電流的關係》 |
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以下的方程式可以用來設計輸出電流與控制電壓：
其中VREF=1.22V且由R2、R3與R4電阻並聯所形成的感測電阻值Rsense等於5。
在許多情況下，以50Hz到200Hz低頻信號提供驅動電流，並透過控制脈波波寬的方式來點亮LED可以帶來一些好處，如(圖四)所示，雖然LED在每個脈波經過時都會發出相同的亮度，但如果波寬過窄時眼睛會注意到點亮的動作，和透過振幅調變方式點亮，讓LED電流變化造成光譜偏移的情況不同，這種做法的光譜會維持不變。圖四顯示了透過0V到約3.9V方波控制波形信號點亮的100Hz LED電流波形，以這樣低頻PWM的信號點亮，通常可以得到比圖二中所採用線性電流方式要高的效率。
| 《圖四 低頻PWM點亮信號的控制與LED電流波形》 |
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＜圖註：其中CH1為控制電壓VControl，CH3為LED電流ILED，由三個串聯綠光LED所形成的負載電壓大約為9.5V，其中電流關閉時的尾波信號可以透過採用較小的輸出電容加以降低＞
結論
圖一中的晶片（MAX5035或MAX5033）提供了產生驅動高亮度LED固定電流源一個高效率且省成本的方式，這個電路的部分優點如下：
- ●採125kHz高頻率切換可搭配較小的反應元件（L1與C2）；
- ●可以在寬廣輸入電壓範圍內維持高效率輸出；
- ●高達12V輸出電壓可滿足多達三顆串聯綠光高亮度LED應用；
- ●不需散熱機制；
- ●電壓範圍可擴展到76V滿足車用高亮度LED應用；
- ●可應用在24V標誌與建築照明應用；
- ●輸出電流可透過改變電流感測電阻R2、R3與R4的大小擴展到1A；
- ●內建切換式功率MOSFET的高度整合功率晶片；
- ●透過控制輸入進行LED電流的線性振幅調變（線性點亮方式）；
- ●透過控制輸入進行低頻PWM信號點亮。
- （作者任職於Maxim Integrated Products）
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