高功率LED的驅動技術

隨著高功率LED的普及，各半導體廠商陸續推出高功率LED驅動專用IC，與此同時大電流LED本身的發熱卻越來越高，因此LED驅動IC與LED一樣，封裝在鋁質電路板的情況也越來越多。其實傳統玻璃環氧樹脂只要針對電路板的通孔進行改良設計，同樣可以支援高功率LED，此時高精度固定散熱端子非常重要。LED驅動專用IC具備穩定輸出電流的優點，反面缺點是外部元件非常多、電路板圖案設計複雜、特殊間距要求使用專用基板、使用不易等等。

本文接著介紹4通道LED驅動器的應用，其最大特徵在於幾乎不使用外部元件，封裝外形體積非常小，外形只有2×3mm，封裝上不佔空間，在高密度封裝LED或是電路封裝面積有限制的應用領域非常適用，因而經常被誤認成低功率LED驅動IC。

4通道LED驅動器電路基本特性

這個4通道LED驅動器的背面設有大面積散熱用端子，封裝時使用專電路板。如果自行設計電路板時，則必需加大背面襯墊（pad）提高散熱性，或是設置眾多微細通孔，讓熱排放到電路板背面。

(圖二十二)是4通道LED驅動IC的腳架配置；(表一)則是4通道LED驅動IC的腳架功能；(圖二十三)是4通道LED驅動IC的基本電路示意圖。其外部元件只有一個電容器與電阻器，電流控制與LED的ON／OFF控制，都是直接從外部執行。

(表二)是4通道LED驅動IC的電氣特性一覽表，輸入額定電壓可以同時驅動1～4個左右，VF＝3.5V串聯連接的白光LED。5個以上LED串聯連接時，順電壓VF超過16V，要求電源電壓使用與順電壓相同，或是大於順電壓的電力時，基於VBATT：4.5～28V的考量，必需在某種特殊條件下才能夠滿足上述關係。

電流計算係數是決定驅動電流時非常重要的係數，例如流動電流可用1250╱10kΩ=125mA計算式求得，該計算結果就是實際輸入各端子的電流值。

以上述計算式為例，同樣的計算式計算4端子時，輸入電流值會變成500mA，主要原因是1250的電流計算係數，會隨著此LED驅動器的製作批號改變，使用時必需仔細確認。

以1250的電流計算係數獲得計算結果為125mA，實際各通道絕對最大額定值為150mA，不過使用時電流值最好降低些比較穩當。

《圖二十二　4通道LED驅動IC ZD3315的腳架配置示意圖（其中附設2×3mmDFN、散熱墊銲接於PCB）》

《圖二十三　4通道LED驅動IC ZD3315的基本電路圖》

降熱電路設計

(圖二十四)是電源ON時，同時驅動3×4=12個LED的電路圖，如圖所示為達成電源ON時LED同時點燈的要求，因此將啟動端子（enable pin）連接於Vin。

電源電壓若設定成與LED順電壓相同時，或是抑制在正1～1.5V左右時，LED驅動器產生的熱可以降至最小範圍。假設順電壓VF＝3.5V，3.5V×3＝10.5V，電源電壓若設定成10.5V，就可以抑制LED發熱。

此外輸出電壓使用某種程度可變的切換電源，能夠獲得抑制發熱的驅動效果；電壓使用非可變的AC變壓器（Adapter）時，建議讀者輸出電壓盡量選擇接近順電壓的變壓器。

《圖二十四　3×4=12個LED的驅動電路》

根據廠商所提供的規格書資料，此LED驅動IC的電流計算係數RSET為1250，不過這會隨著製作時段改變。此處試算電流計算係數RSET為800的驅動器，其結果如下：

《公式一》

若將8KΩ封裝於RSET，各通道就可以輸入100mA的電流，由此可知利用電流計算係數RSET，可以大幅簡化易LED驅動電流的計算。

電流計算係數RSET若當作流量（volume）使用，還可以發揮調光功能，基本計算方法是8kΩ（固定電阻）＋××kΩ（流量）。

以圖二十四的驅動電路為例，3個LED串聯連接電源電壓Vin大約是12V，相較之下(圖二十五)的6個LED串聯連接時，要求21V的電源電壓，兩者最大差異是按圖二十五的電源電壓Vin的輸入端設有R1，R1， R1。R1值利用下式計算：

《公式二》

換言之只要設置714Ω的電阻器就沒問題。

《圖二十五　6×4＝24個LED的驅動電路》

利用端子短路大電流電路設計

這顆LED驅動IC的驅動能力為150mA，實際應用時建議控制在125mA左右。目前高功率LED的驅動電流大多超過1A，利用LED驅動IC驅動更大電流時，依照(圖二十六)連接就可以使用大電流。

連接方法很簡單，這是將ILED1與ILED2短路，使設定電流變成2倍，假設設定電流為125mA，上述兩端子短路就變成250mA。

相同手法設計三端子、四端子短路，電流值分別變成3倍與4倍，如此單個驅動器最多可以驅動125mA×4＝500mA的電流。

《圖二十六　大電流驅動方法》

利用並聯封裝大電流電路設計

以上介紹的大電流驅動方法，是利用端子短路提高電流值增加LED點燈數，此外驅動器並聯封裝，同樣可以實現大電流驅動複數個LED的目的。

(圖二十七)是以500mA大電流驅動複數LED的電路範例，假設電流設定係數為1250，10kΩ封裝於ISET時，並聯連接的LED電流為1250／10KΩ＝0.125A，亦即每個端子的電流值為0.125A，三個驅動器並聯封裝要求0.125A×3＝0.375A，由於電源電壓超過16V，因此依照式（1）計算R1、R2、R3。

《圖二十七　以大電流驅動複數LED的電路範例》

(圖二十八)是1A等級高功率LED的驅動電路範例，設計時首先計算一個端子的電流值，接著乘上短路端子的數量，就可以求出輸入LED的電流值。

假設電流值係數為1250，R4與R5分別是10kΩ，如此一來每個端子的電流值就是0.125A。以圖二十八為例，由於驅動器的4個LED連接端子全部短路，因此一個驅動器的電流值變成500mA，兩個驅動器並聯封裝電流值變成2倍，可以驅動1A等級的LED。

《圖二十八　1A等級的LED驅動電路》

LED驅動器調光方法

這顆LED驅動器的調光方法有兩種，第一種控制方法是使用啟動端子（EN）。如(圖二十九)所示對啟動端子施加時脈（clock），可以控制LED的點燈或熄燈，若改變時脈的工作週期，就能夠控制LED的亮度，啟動端子（enable pin）最大驅動頻率為50kHz。

第二種控制方法是使用ISET端子，如(圖三十)所示，這是對ISET端子施加0～1.5V的電壓，作0～100％的類比調光，至於電流值的計算方式則與上述相同，利用電流值係數1250／R的阻抗值。

一般調光方式LED未完全熄燈之前無法進行調光，不過這種方式可以作類比調光，適合應用於相機攝影。類似這樣啟動端子與ISET端子分開使用的方式，使用者能夠自由選擇數位調光或是類比調光，使用上非常方便。

《圖二十九　利用啟動（EN）腳架對調光（EN）端子施加時脈圖》

《圖三十　ISET腳架構成的類比調光電路圖》

(圖三十一)是LED驅動器電路板的電路圖範例；(表三)則是LED驅動電路板的端子定義，由表三可知這驅動電路設有墊襯（pad），一般用途只要連接電源，再決定電流值係數就可以使LED點燈。

這個電路設計使用電源IC LP2992，會產生類比調光的電壓，不需從外部輸入其它電源，就能夠在基板內部直接進行類比調光。

倘若要求從外部輸入類比調光，設計環境上則必須拆掉流量器P8，接著對GND之間施加0～1.5V的電壓即可。不用類比調光時，同樣必須拆掉P8，再用R9設定成0Ω，就可以切換啟動模式。

《圖三十一　ZD3315 LED驅動電路板的電路圖範例》

假設驅動3個串聯LED，LED的順電壓VF是3.5V×3＝10.5V，因此電源電壓設定成12V或是11V左右。輸入電流大約是240mA，不過每個端子的電流只有125mA，顯然單端子無法滿足實際需要，必需使用二個端子，雙端子可以提供120mA的電流，最後再計算120mA、電路板係數為800時的ISET阻抗值：

《公式三》

因此採用近似值6.8kΩ。ISET阻抗值為6.8kΩ時，LED的電流為：

《公式四》

接著試算4列6個串聯LED，總共24個LED的驅動電路。首先設定流動電流值為350mA，由於2個ZD3315 LED驅動IC，無法提出350mA的流動電流，因此並聯連接3個LED驅動IC，如此一來每個驅動IC就能夠提供350mA／3＝117mA的電流，這與上述117.6 mA的電流值非常接近，因此電流控制用ISET同樣使用6.8kΩ的電阻器。

6個串聯LED電源電壓接近22V，必需設置R1、R2、R3電源電壓輸入點電阻器，根據公式二計算R1、R2、R3的電阻值，其結果如下：

《公式五》

因此R1、R2、R3分別使用1kΩ的電阻器，然而實際上可能沒有1kΩ的電阻器，所以折衷使用大於1kΩ的電阻器。此外為實現單電源類比調光，此電路可使用VR1（Volume）與電源IC（IC4）。

以下接著要介紹直接利用外部微處理器，控制啟動端子與ISET端子，達成LED驅動控制目的的方法，由於這種方法是微處理器組合上述LED驅動器IC，因此能夠高自由度控制LED光源。

組合微處理器控制LED光源

(圖三十二)是利用H8／3664微處理器調整光源的基本電路；(表四)是流量輸出轉換成A-D時，利用PWM輸出動作（duty）反映該轉換值的調光用控制程式。這是以具有流量器的A-D埠讀取A-D轉換值開始，再將該轉換值反映在PWM輸出埠，進行0～100％可變動作。0％表示LED完全熄燈，100％表示LED完全點燈。

《圖三十二　利用微處理器自由處理光源的基本電路》

《表四　調光用控制程式H8／3664》 - BigPic:708x405

這顆LED驅動IC的外部元件非常少，電路結構相當簡潔，大電流驅動時只要將LED端子短路就變成2倍，或是利用驅動IC並聯驅動產生大電流，因此可涵蓋小電流到大電流的所有動作範圍。

雖然大電源電壓容易發熱，不過這顆IC的背面設有散熱端子，封裝時正確固定可以獲得高散熱效果。這顆LED驅動IC的外形體積非常小，IC的背面設有墊襯，封裝時建議使用自動錫爐（reflow）銲接，或是塗上高傳導性散熱矽膠加以固定。

上述已提到根據廠商提供的技術資料顯示，IC電流值係數為1250，不過這顆ZD3315驅動IC的電流值係數卻只有800，主要原因是電流值係數會隨著製作批號改變，使用前必需仔細確認。

當這顆LED驅動IC溫度過高時，自我振盪（Limiter）會非常敏銳，若LED點燈時發生閃爍現象，通常都是驅動IC過熱所造成。因此可利用常用散熱的解決方案，包括重新設定電源電壓、將封裝電路板鋁板化以提高散熱性，或是追加冷卻風扇來強制散熱等等。

其他LED驅動IC性能介紹

最後本文介紹的是4通道LED驅動IC LT3476，這顆IC主要特徵是各通道除了最大可以輸入1A的電流之外，還設有PWM端子，且各通道可作個別控制。

(圖三十三)是LT3476驅動器端子配置示意圖，雖然這顆LED驅動IC的外部元件非常多，不過4通道最多可以驅動8個串聯高功率LED，共計32個LED。

《圖三十三　單端子最大可以驅動1A／4ch LED的LT3476驅動器腳架配置示意圖》

本電路使用2個電源，分別是LED驅動用與驅動IC用電源。(圖三十四)是這顆LED IC評鑑電路板的電路圖，如圖所示驅動電路設有100Ω的識別（sense）電阻器，利用驅動IC可以監視電阻器之間的電壓，依此調整電流。

圖中的7號端子（REF）會輸出穩定的1.05V參考電壓，若將此電壓分壓分別施加至VADJ1～VADJ4，就直接變成輸出電流。以300mA驅動時，VADJ端子必須設定成0.3V；流量可變的場合，REF端子若設置5kΩ固定電阻器與100kΩ流量器時，VADJ端子的電壓可作0～1V調整，亦即0～1A的調光動作。

《圖三十四　LT3476評鑑電路板電路示意圖》

這顆驅動IC設有PWM1～PWM4端子，若對這些端子施加脈衝，可作LED ON／OFF控制，透過可變duty還可作0～100％的調光動作，如(圖三十五)所示。

《圖三十五　利用Volume調光的電路範例》

此處以圖三十四LT3476評鑑電路板的定數為例，點燈確認VADJ端子的電壓。如上所述1.05V的參考電壓，以66.5kΩ與33.2kΩ分壓，可以對VADJ端子施加大約1.05×0.332＝348mV的電壓，輸出電流就變成350mA。

這裡必需注意的是PWM端子呈自由狀態時無法點燈，必需利用脈衝產生器（pulse generator）才能輸出時脈。(圖三十六)是ch1的電流波形與ch2 PWM端子的動作波形，由圖可知電流與時脈同步流動。

《圖三十六　ch1的電流波形與ch2 PWM端子的波形示意圖（ch1：100mA／div., ch1：5V／div., 1ms／div.）》

LED專用驅動IC使用上相當複雜，類似LT3476驅動IC有高頻切換路徑限制，繪製電路圖（artwork）時必須格外謹慎。為量測識別電阻器之間的電壓，工程師必須讓4通道彼此完全獨立，否則CAP1～CAP4在電路圖會變成PVIN端子。4通道彼此完全獨立的圖案描繪非常重要，如果不描繪成獨立的圖案，就無法正確量測識別電阻器之間的電壓，嚴重時振盪會造成不正常點燈。

這顆LED專用驅動IC的背面是散熱端子，銲接精密度直接影響散熱效果，加上驅動IC外形體積非常小、端子數量又多，IC背面還設有襯墊不易作手工銲接，建議工程師在設計時可固定治具以自動錫爐方式加工比較妥當。

結語

隨著設計與加工技術的進步，未來高功率、高發光效率的LED勢必成為市場主流。LED使用的是非常複雜的控制技術，如何降低額外消費電力持續增加是首要之務。LED若要能發揮最大效能，除了充分掌握LED的特性之外，選擇適當的驅動電路，更是應用上非常重要的一環。