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消费类电子用 LED 灯的应用设计

消费类电子用 LED 灯的应用设计

一.    应用设计(一)

随着消费类电子产品的不断发展,LED灯在消费类电子产品上的应用越来越多,起着“画龙点睛”的装饰作用。随着消费者追求的不断提高,LED灯也向着时尚化、动感化和多彩化的方向发展。

单灯设计
单灯,顾名思义,指的是一个LED灯。单灯设计是LED灯应用中最简单、最基本的方式,是构成LED灯应用的基础。

它是由工作电源VCC、一个串联电阻R1、一个LEDD1和信号地组成。在设计中,第一步需要确认LED灯的工作状态,包括正向工作电流IF和正向工作电压VF。以一款蓝色LED灯为例,它的正向工作电流要求IF30mA,推荐工作在5mA20mA。设计者首先根据正向工作电流IF与相对光强的IV曲线图(如图1a所示)确定LED灯工作的发光亮度。假设设计者将相对发光强度定在1.5, 那么从图1a中可以找到其对应的正向工作电流IF10mA。接着,根据正向工作电流IF与正向工作电压VF的关系曲线图(如图1b所示)找到正向工作电流IF10mA时对应的正向工作电压VF约为3V。第二步确定工作电源VCC和串联电阻R1的值。

                           a                                                                b

                                             1 一款蓝色LED灯的工作参考曲线


VCC=5V时,R1=VCC-VF/IF=5V-3V/10mA=200Ω;


VCC=3.3V时,R1=VCC-VF/IF=3.3V-3V/10mA=30Ω。


在使用中,如果需要调整LED灯的发光强度,可以通过调整电阻R1的值来调节流过LED灯的工作电流,从而达到调节LED灯的发光强度的目的。
  
双灯设计
目前在消费类电子领域,双灯应用设计最为普遍,比如红蓝双色灯或红绿双色灯等,可以用来指示消费类电子产品电源的状态,在设计中主要是考虑双色灯的控制方式。举个例子,比如设计一台DVD播放机的电源指示灯,要求DVD待机时指示灯显示红色,工作时显示蓝色。

电路工作原理为:电路中有两路供电,一路是工作时的电压+5V-Work,负责点亮蓝色LED灯,在DVD待机时其电压小于0.3V;另一路是待机电压+5V-Standby,负责点亮红色LED灯。电路中的三极管Q1与电阻R2R3R4用来控制红色LED灯的供电,当+5V-Work的电压超过蓝色LED灯工作的正向工作电压VF时,蓝色LED灯点亮,同时必须保证三极管Q1饱和导通,此时Q1的集电极电压为虚地电压,从而红色LED灯熄灭,指示DVD进入工作状态;待机时,当+5V-Work的电压低于蓝色LED灯工作的正向工作电压VF时,蓝色LED灯熄灭,同时三极管Q1截止,此时+5V-Standby电压通过电阻R1点亮红色LED灯,指示DVD进入待机状态。

二.    应用设计(二)

串灯设计

串灯设计是目前LED灯在消费类电子领域最热门的应用设计,比如照明、笔记本电脑、电子书、LED背光电视、手机等产品都会用到。

串灯设计首要考虑设计需要点亮多少个LED灯。其次,串灯设计需要考虑如何点亮。因此要想点亮一串灯,只有两种办法:一是将24V以内的一组直流供电电压升压成串灯直流电压来供电;二是将交流电压转成串灯直流电压来供电。目前最流行的设计是采用第一种办法,通过LED驱动器将一组直流供电电压升压成串灯直流电压来点亮串灯。

下面介绍一款LED驱动器,是MPS公司的MP3388。它的特点有:采用DC To DC的工作方式,转换效率高,达到80%以上;输入直流电压范围宽,从4.5V25V;输出直流工作电压最高可达50V;封装小,尺寸只有4mmX4mm;有多种调光方式;有LED灯开路和短路保护电路;最多可支持点亮8LED灯。其典型应用设计原理图如图5所示。

5. 串灯设计参考电路。

 1. 点亮的串灯数量

从图5的电路图可以看到,LED驱动器MP3388带载了8串白色LED灯,设计者可以根据需要增减每串灯带载的LED灯数量。如果是增加每串的LED灯数,注意串灯电压不要超过50V,同时每一串灯的数量必须相同;设计者也可根据需求使用少于8串的串灯数量。

2. MP3388的工作流程

首先MP3388的供电脚VINMP3388的第23脚)先输入直流供电电源,接着再开启其使能脚EN,即将它的第1脚接高电平(要求大于2.1V)。当EN脚为高电平时,MP3388的第21VFAULT会输出6V的直流电压,使外接的PMOSM1导通,同时其内部的升压器开始工作,接着芯片开始逐步抬高输出电压至串灯的工作电压,从而点亮LED串灯。

3. 调光方式

MP3388提供了两种调光方式:PWM波调光和直流电压调光,它们的本质都是调节LED串灯的工作电流来实现。PWM波调光又分为两种调光方式。

1)两次PWM波变换调光

如图6所示,将一方波(频率可以从100Hz50KHz)信号输入到MP3388PWMI脚,通过芯片内部的一个400KΩ的电阻和外部PWMO脚的一个电容C2组成的滤波器,将PWMI脚输入的PWM波形转换成一个直流电压(从0.2V1.2V),然后此直流电压再被调制成一个内部的PWM波去控制LED灯的输出电流,而且其PWM波的频率还需通过外部电容C1来调节。经过两次PWM波转换来实现LED灯电流的控制显得相当复杂。

6. PWM波变换调光


2)直接PWM波调光

如图7所示,直接将一PWM波(频率可以从100Hz2KHz)直接送到MP3388PWMI脚或PWMO脚,省去了外部电容参与调节。此时MP3388内部会产生一个与输入信号频率相同的内部PWM信号来调节LED灯的工作电流。

7. 直接PWM波调光。

3)直流电压调光

如图8所示,直接将直流电平(从0.2V1.2V)送到MP3388PWMO脚,通过其直接调节LED灯的工作电流。

8. 直流电压调光。

 4. 开路保护

开路保护是LED驱动器具备的重要功能之一。MP3388的串灯开路检测是通过过压保护机制来实现。假设连接到MP3388LED1脚的这一串灯开路,LED1脚的电平就变成低电平,MP3388会认为串灯的输出电压不够,同时MP3388会一直努力提高串灯的输出电压,当输出的串灯电压超过正常工作电压的1.3倍时,过压保护机制就开始起作用。此时,MP3388会通过LED脚电压来判断哪一路串灯开路,比如LED1脚电压低于0.21VMP3388就知道连接LED1的那一路串灯开路。一旦确认哪几路串灯开路,MP3388会驱使剩余未开路的串灯维持正常的工作电压。只要有一路串灯未开路,MP3388都会维持其正常的工作电压,一旦所有路串灯都开路,MP3388会将升压器关闭。

5. 短路保护

短路保护也是LED驱动器必备的重要功能之一。从上面开路保护的介绍可以知道MP3388能够监控LED脚的电平。一旦某一路的串灯有短路,其对应的LED脚的电平会升高,当电平超过5.5V时,短路检测机制就开始起作用。短路检测机制能在1.6ms就判断出哪一路串灯有短路,一旦确认有短路的串灯,MP3388就会将短路的那一路串灯从负载端断开。一旦所有路的串灯都出现短路,MP3388也会将升压器关闭。


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