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LED 定電流的設計

  看到 Mobile01 上有LED定電流的設計討論,趁這個機會也來發表一篇有關定電流的文章。

  在此之前相信大家對LED應該有足夠的認識,如果不了解可先參考
車燈選購注意事項  。

  在過去,基本電學就有提到 定電流源 與定電壓源,但是也沒特別去注意,過去在數位電子的時候,很少接觸到電流控制,大部分是電壓控制,大部分的數位訊號 也是 01的變化,其實就是電壓的變化。

  而電壓與電流的關係卻是密不可分 V=I X R 所以無論如何,電流的控制,是跟電壓脫離不了關係。絕非要5V以上或是固定電壓源不適合LED這麼單純而已。
  
  早期 高功率LED 未盛行時,燈具廠商所謂的定電流,其實就是在LED上面加一顆限流電阻,來確保留經LED上的電流是不大於設定值,但是對於是電池驅動的電路,如果電壓沒有作穩壓(不管是升壓或是降壓),往往它就會淪為直驅,因為電池電壓變低時,電阻值卻不會自動調整。但是高功率LED開始運用在燈具產品的時候,這樣的做法反而是不恰當的,各位試想如果
LED A 的 Vf = 3.5 V 時 If = 1A
LED B 的 Vf = 3.8 V 時 If = 1A (每顆LED 在If = 1A的時候,Vf 值是不同的,這是LED的特性,非生產不良)
  那使用三顆 AAA電池的時候,電池電壓約 4.3-4.5V,假設是4.3V 為了確保流經 LED 的電流不超過 1A 所以串接了一顆電阻,這顆電阻的電阻值為:
(4.3 - 3.5) / 1 = 0.8 ohm 而且這顆電組必須有 0.8W 的功率,但是效率呢? 3.5/4.3=81.4%

網路上有車友說 "電流鏡的只要一顆電阻就可以了" 前提是定電壓源,且LED的Vf值也是相同的,也就是4.3V 維持不變,但是通常電池會因為剩餘電量的多寡,電壓也會有高低的變化,所以使用電池驅動又沒有作定電壓,那麼這個做法不過就是直驅加電流電阻。如果再考慮LED的特行,同樣的電路不同的LED 則電流值又不同。那如何做出一致性的產品???

以LED B 來說 (4.3-3.8) / 0.8 = 0.625  當然電流不會剛好等於 0.625A , 而會是 1A - 0.625A 之間,因為電流降低之後,Vf 值跟著降低,LED不會有1A的電流。這樣的電路來製作LED的產品,消費者就像抽籤一樣,可能買到 200 流明的燈,也可能買到 150 流明的燈。

  有車友說,"定電壓源的做法來作定電流源是不對的",這個說法也似是而非,如果沒有電壓哪來的電流,但是用定電壓來作定電流確實不妥,因為每顆LED需要的Vf值是不同的,所以電壓要動態的調整,來適應量產時LED不同的Vf。大廠的PWM 或是PFM的升降壓IC,其實有一種是定電壓另一種是可變電壓,例如
APW 7077 是一顆升壓IC
APW 7077 A 表示輸出電壓可隨電路設計變化
APW 7077-33 表示 輸出電壓固定在 3.3V
APW 7077-50 表示 輸出電壓固定在 5.0V
如果是一般消費電子的產品,大都會選 3.3V 與 5.0V的IC來使用。至於LED 驅動,就要可變電壓控制IC,這樣不同LED Vf值才可有同樣的電流。

動態的定電壓調整才是定電流的做法,至於動態定電壓,有很多大廠都有IC可用像:
Onsemi
National Semiconductor
Linear technology
Maxim
Sipex
Zetex
Fairchild
O2Micro
....

再來就說動態定電壓,所謂動態定電壓是隨輸出回授的訊號來調整輸出電壓值,不斷的修正輸出電壓,而這個被監測的回授電壓,就是流經LED的電流經過一個電組之後得到的電壓值,只要這個電壓值維持在一定的數值,就會有定電流的效果。

至於要進行升壓或降壓,不外乎幾個零件,控制IC、電容、電感、閘流體 MOS、二極體。
升壓電路主要應用於低的輸入電壓要驅動較高於輸入電壓的原件或電路。升壓有一種電路的架構,電感Boost)式與電容(Charge Pump)式,這兩種皆是用Switching的方式把能量保持在元件中,再藉由與原來的電源進行串連後,得到電壓提高的效果。而二極體就是防止升壓過的能量,逆流到原來的電源中。至於效率,就是扣除MOS, Diode, 電感, 回授電壓所消耗掉的能量。



降壓則是較高的輸入電壓,要應用在較低輸入電壓的元件或電路。降壓有兩種方式,LDO 與 Buck(Step down) ,LDO(Low Dropout regulator)又稱 低壓差線性穩壓器,小電流低壓差的時候,可用這個方式來作穩壓 最常見的就是像 7805會把高於5V輸入電壓保持在5V的輸出電壓,但是如果電壓差過大,7805會發熱,也就是會耗掉能量,甚至需要加裝散熱器,最簡單的觀念就是把用不到的電壓能量,用熱的方式消耗掉,LED若使用這種方式來驅動是很沒效率的。而Buck就是將能量儲存在電感或電容中,一旦輸出電壓達到設定值就關掉電源由電感與電容供電,當輸出電壓低於設定值,就將電源接通對要驅動的電路以及電桿與電容做補充能量的動作,一連串的接通與關閉就達到降壓的目的。

另外還有一種就是升降壓混合模式,試想一顆LED的Vf是3.5V ,如果使用一顆鋰電來驅動,為了達到定電流的目的,在電池電壓較高時,要進行降壓,但是電壓低於3.5V時,就要升壓,這樣才能做到定電流。有些廠商因為一顆鋰電的電壓與 LED 的 Vf 相差不多,就順勢串一顆電組就交差,其實那是直驅,而非定電流。很多廉價車燈,使用的LED一顆可能不到US$0.5,有可能再加US$1.0去做升降壓嗎?

但也就是為了達到定電流,使LED維持一定的光輸出,才會有所謂的雜訊干擾問題,因為這些切換頻率從幾百K Hz 到 M Hz 都有可能。這些電路原理應用在日常生活中的電子產品相當普遍,如手機 筆記型電腦 充電器等,只是大部份的消費者不了解而已。

至於LED調光也有兩種方式,如果有做定電流一定是PWM調光,藉由人類眼睛的視覺暫留,不感覺到閃爍的頻率下,對LED進行高頻的開關切換,達到所謂調光 (Dimming) 的控制,閃爍與暴閃也是同樣的原理只是頻率與周期不同而已,但是LED通電週期的時候一樣是原來設定的電流。 另外一種便宜的方式就是利用開關將電路切換到更高阻值的限流電阻,來降低電流,這是最簡單也最沒有效率的方法。但是有閃爍功能的車燈一般就會用PWM的方式來做調光。

至於簡單判斷是否有用PWM的方式做Dimming,將燈放在電風扇後面,開啟電風扇並直接照射扇葉,如果是PWM調光,你會看到閃爍的光線,如果沒有,那就是用限流電組來做。調光與定電流是兩回事,沒有定電流一樣可以調光。定電流與限流亦是不同的。

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