LED驱动电源作为LED照明灯产品的核心部件，对功率器件的性能参数有着严格要求。而MOS管作为LED驱动电源中的关键开关元件，其性能直接影响LED照明灯的能效、稳定性和寿命。这里我们就一起了解一下其驱动电源相关知识。
图 1LED实物图
一、LED驱动原理相关
1.开关调节电路几种形式
LED是电流驱动，它本身的亮度取决于电流。其本身对于电压又是敏感器件，过压很容易造成器件损坏，精确的电流驱动控制，能保障LED发光稳定且延长使用寿命。在LED普及的今天，其电源驱动效率也备受关注，如果驱动效率很低将会造成电力资源的浪费，所以目前普遍的LED驱动都是以开关电源的形式出现，除了其本身能稳定输出精度可靠的恒定电流及较大功率外，90%以上的转换效率也是其被选择的重要原因。图2是LED开关电源常用的几种开关调节电路示意图。
图2 开关调节电路
(a)Buck变换器(b)Boost变换器(c)Buck-Boost变换器
图2-(a)为采用Buck变换器的LED驱动电路，与传统的Buck变换器不同，MOSFET开关管VT移到电感L的后面，使得VT的源极接地，而续流二极管VD与该串联电路反并联，该驱动电路简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合。
图2-(b)为采用Boost变换器的LED驱动电路，通过电感储能将输出电压升至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对LED的驱动。
图2-(c)为采用Buck-Boost变换器的LED驱动电路。与Buck电路相似，该电路VT的源极可以直接接地。Boost和Buck-Boost变换器虽然比Buck变换器多一个电容，但是，它们都可以提升输出电压的绝对值，因此，在输入电压低，并且需要驱动多个LED时应用较多。
2.LED驱动拓扑原理
图 3LED驱动器拓扑
(a)使用串联电阻器调节LED电流(b)用可编程的占空比来控制LED的电路(c)采用低断开关（开关模式法）电路(d)通断续流二极管实现(e)采用高端开关
（1）使用串联电阻器(线性法)调节LED电流是最简单方式，如图3-(a)所示。其优点在于成本低、实施简单，而且不会由于开关而产生噪声。这种拓扑的主要缺点是：电阻器上的功率损耗导致系统效率降低；并不能控制LED的亮度。而且，这种方案需要用稳压源来得到恒定的电流。例如，假设U是5V,而LED的U,是3.0V,那么如果需要产生350mA的恒定电流，将需要串联的电阻为R=U/I,此时R=(5-3.0)/350=5.7(Ω),电阻R将消耗的功率为RI2,即0.7W(几乎相当于白光LED的功率),因此总体效率就不可避免地低于50%。实际上LED的正向电压VF,会随着温度的变化而变化，使得电流也发生变化。采用较高的Udd可以将由VF,引起的总体电流变动降至最低，但是会在电阻器上产生巨大损耗，从而进一步降低效率。
（2）采用线性电流源加上一个晶体管和一个运算放大器，如图3-(b)可以把电流非常精确地设置为350mA,但仍存在电路总体效率低和电阻R的功率损耗问题。
（3）采用低端开关(开关模式法)电路如图3-(c)所示，通过电感L上的电流在开关导通时上升，在开关断开时下降，可以调节流经LED的电流。同任何感性负载一样，当开关断开时，需要为电流提供一条通路。这可以通过图3-(d)中的续流二极管来实现，图3-(d)中用N通道MOSFET来代替开关，并且加上电阻R用以检测流经LED的电流。当电流降至低电流阈值(如300mA)时，开关将导通，而当电流升至高亮度阈值(如400mA)时，开关将断开。导通FET只需在其门极上加5V电压，这可以由微控制器的一个输出口直接提供。而且，这种拓扑不再需要恒定的Udd电压，即使输入电压在波动，也能稳定地调节LED电流。
这种拓扑类似于升压变换器的前端，具有使用N通道、低成本FET的优势，但需要在电阻R两端进行电压差分测量，以获取流经LED的电流。电路中的开关实际上提供了两种功能：首先是它使得在电感器上产生可调节的电流；其次是它允许调节LED的亮度。
（4）采用高端开关。高端开关电路与低端开关电路的差别仅是负载和晶体管交换位置，如图3-(e)所示的电路中开关位于“高端”,并将FET从N通道更换为P通道。因N通道FET要求
Ugs>5V,在图3-(e)所示的电路中，N通道的源极电压会不断变化，而且经常在3V以上，所以在门极上至少需要8V的电压。
这就需要一个类似电荷泵的门驱动电路，使得整个电路更加复杂。如果就采用一个P通道FET,而且又可以直接从微控制器的输出端为它提供-5V的Ugs,那么电路就简单多了，这种拓扑类似于降压变换器的前端。该电路主要的优点是能直接在电阻R的两端进行电流检测，因此不再需要差分检测方法。
3.LED亮度调节技术
在现代照明系统中，LED调光技术被广泛应用于实现亮度控制。虽然实现调光的方法多种多样，但基本原理大多是通过快速地周期性开关LED来控制其平均亮度。这种方式利用人眼对高频闪烁不敏感的特性，在极短的时间内将LED以额定电流全亮或全灭，从而避免了肉眼可见的闪烁现象。LED的亮度与其“点亮”的时间比例（即占空比）成正比。MOS管由于其本身的电气特性就能很好的胜任这项快速开关LED的任务。
LED调光主要有以下两种常见技术：
l 脉宽调制（PWM,PulseWidthModulation）
脉宽调制是目前最常用的LED调光方式之一。它通过设定一个固定的周期T，在每个周期内改变LED导通（点亮）时间的长短，从而控制亮度。导通时间越长，占空比越高，LED看起来就越亮；反之则越暗。
如图4所示，通过设置不同的占空比，比如6%、50%和94%，可以实现从微亮到接近全亮的不同亮度等级。这种调光方式响应速度快、控制精度高，且不会改变LED的色温，是一种高效而稳定的调光方法。
图4 脉宽调制
l 频率调制（FrequencyModulation）
与PWM不同，频率调制采用固定宽度的控制脉冲。在这种方法中，每个控制脉冲的宽度保持不变，但其出现的频率会根据所需亮度进行调整。
如图5所示，脉冲A的宽度始终一致，LED的亮度通过控制这些脉冲的重复周期来实现。频率越高，单位时间内LED点亮次数越多，亮度也随之提高。这种方法虽然调光精度相对PWM较低，但电路实现简单，在某些低功耗或对调光精度要求不高的应用中也具有一定优势。
图5 频率调制
l 开关电流
在实际LED调光电路中，电流并不是我们想象的完全没有波动，好的调光电路，柔和的或者是频闪小的调光电路中的电流是波动比较小的，我们人眼感受不到。如果波动很大，导致频闪很严重，那么在实际的使用中，对人眼的伤害是很大的。图6展示了实际调光信号与LED电流的关系。可以看到LED电流波动越小，越微弱，那个实际的照明效果就会越好，这个和LED驱动开关器件有着很大的关系。
图6 LED开关电流示意图
l LED驱动芯片及外围电路
图7展示了两款常用的LED驱动芯片。LM3409是一款buck控制高功率LED驱动，LT3756是一款支持3种驱动模式（buck、buck-boost、boost）的LED驱动IC。LM3409搭配的是PMOS管，LT3756搭配的是NMOS管。可以看到LED驱动IC和MOS管是常规组合搭配，当然有的小功率驱动芯片无需外置MOS管，内置的MOS管足以满足其驱动要求。
图7 LED电源驱动芯片及外围电路
二、LED驱动电源实际展示
LED电源是常见的电器，在我们办公、居家、生产环境中司空见惯，图8展示了1款常见的LED调光板，MOS采用的是台懋半导体的TM80N03。
图8 LED调光板展示（采用TM80N03）
三、在LED驱动电源电路中，MOS管选型注意事项
有了上述关于LED驱动电源的知识以及实际产品的展示及拆解，我们对于MOS管在LED驱动电源中的作用已经有了充分得认识，那么在实际项目中，我们针对不同LED阵列、不同的LED驱动芯片以及不同的使用环境，我们怎么去选型匹配的MOS，应该关注哪些参数，以下做了一些罗列及总结：
1.最大源漏电压Vds
这是MOS管源极于漏极之间能承受的最大电压，应选型高于最高工作电压1.5～2倍的器件，保留足够裕量，避免电压尖峰损坏。
2.最大持续漏电流丨d
必须满足LED负载电流的最大值，并考虑启动、浪涌等瞬时电流。选型时应预留1.2～1.5倍的安全系数，避免MOS管因过流发热或损坏。
3.导通电阻Rds（on）
导通电阻越低，导通损耗越小，系统效率越高。尤其在大电流或高频工作环境中，低Rds(on)可显著降低热损耗。
4.栅极电荷Qg
栅极电荷Qg决定了MOS管开关速度以及驱动功耗。Qg越小，开关越快，适用于高频应用，有利于提高效率。除此之外，MOS管要与LED驱动芯片的工作频率匹配，同时也要考虑封装的散热能力以及装配形式。
5.输入电容Ciss
MOS管每一次开通和关断，都需要在栅极上充放电。输入电容越大，所需充放电电荷也越多，开关速度就越慢。开关频率越高，单位时间内的开关次数越多，栅极需要充放电的次数也越多。
台懋半导体针对LED电源驱动中MOS管应用，有超10种型号可供选择，覆盖了市面上大多数大功率LED驱动电源应用的需求，如图9
图9 LED电源MOS管选型矩阵
四、总结
LED电源驱动看似简单，实则是电力控制与半导体物理的精妙结合。MOS管虽小，却承载着效率、安全与性能的重任。选得好，是锦上添花；选错了，也许就让灯光失色。让我们以技术为羽翼，在光的道路上走得更远，照得更亮。