就普通照明而言,，LED技術(shù)已經(jīng)可以滿足生產(chǎn)高品質(zhì)燈具的要求,，但是具體生產(chǎn)高品質(zhì)LED燈具時(shí),，則需要掌握電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)等三個(gè)領(lǐng)域的知識,。很少有同時(shí)精通于三個(gè)領(lǐng)域的工程師,，而如果電源工程師還負(fù)責(zé)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，他多半會(huì)將更多精力放在控制輸出電流的精確度上,。毫無疑問,，精確度非常重要，但當(dāng)我們的最終產(chǎn)品是一個(gè)燈具時(shí),，它發(fā)出的光的品質(zhì)才是我們所關(guān)心的重點(diǎn)所在,。

　　本文重點(diǎn)探討了如何對LED驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，因?yàn)楫?dāng)我們關(guān)心輸出光品質(zhì)時(shí),，對LED驅(qū)動(dòng)電流的控制將會(huì)成為影響LED電源成本的重要因素,。為了使用于LED供電電源設(shè)計(jì)的每分錢都充分發(fā)揮作用，我們在本文中提出了一個(gè)最佳方案——封閉實(shí)際光輸出的控制回路,。

　　半導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn),，使同時(shí)專長于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)（機(jī)械工程）這三個(gè)領(lǐng)域的工程師成為搶手人才,。目前,，在三個(gè)領(lǐng)域都富有經(jīng)驗(yàn)的工程師并不很多，而這通常意味著系統(tǒng)工程師或者整體產(chǎn)品工程師的背景要和這三大領(lǐng)域相關(guān),，同時(shí)他們還需盡可能與其他領(lǐng)域的工程師協(xié)作。

　　系統(tǒng)工程師常常會(huì)把自己原領(lǐng)域養(yǎng)成的習(xí)慣或積累的經(jīng)驗(yàn)帶入設(shè)計(jì)工作中,，這和一個(gè)主要研究數(shù)位系統(tǒng)的電子工程師轉(zhuǎn)去解決電源管理問題時(shí)所遇到的情況相同：他們可能依靠單純的模擬,，不在試驗(yàn)臺(tái)上對電源做測試就直接在電路板上布線，因?yàn)樗麄儧]有認(rèn)識到：開關(guān)穩(wěn)壓器需要仔細(xì)檢查電路板布局,；另外,，如果沒有經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)測試，實(shí)際的工作情況很難與模擬一致,。

　　在設(shè)計(jì)LED燈具的過程中,，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位元電子電力專家，或者若電源設(shè)計(jì)被承包給一家工程公司時(shí),，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)中常見的習(xí)慣就會(huì)出現(xiàn)在LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中,。一些習(xí)慣是很有用的，因?yàn)長ED驅(qū)動(dòng)器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似,。兩類電路都工作在較寬的輸入電壓范圍和較大的輸出功率下,，另外這兩類電路都面對連接到交流電源、直流穩(wěn)壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來的挑戰(zhàn),。

　　電力電子工程師習(xí)慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度,，對LED驅(qū)動(dòng)器而言并不是很好的習(xí)慣,。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)位負(fù)載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴(yán)格的控制,，以防止出現(xiàn)較高的誤碼率,。因此，數(shù)位電源軌的公差通常會(huì)控制在±1%以內(nèi)或比它們的標(biāo)稱值小,，也可用其絕對數(shù)值表示,，如0.99V至1.01V。在將傳統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)習(xí)慣引入LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)領(lǐng)域時(shí),，帶來的問題就是：為了實(shí)現(xiàn)對輸出電流公差的嚴(yán)格控制,，將浪費(fèi)更多的電力并使用更昂貴的元件，或者二者兼而有之,。

　　善用每一分預(yù)算

　　理想的電源是成本不高,，效率能達(dá)到100%，并且不占用空間,。電力電子工程師習(xí)慣了從客戶那里聽取意見,，他們也會(huì)盡最大力量去滿足那些要求，力圖在最小的空間和預(yù)算范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),。在進(jìn)行LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)也不例外,，事實(shí)上它面對更大的預(yù)算壓力，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的照明技術(shù)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了商品化,，其價(jià)格已經(jīng)非常低廉,。所以，花好預(yù)算下的每一分錢都非常重要,，這也是一些電力電子設(shè)計(jì)師工程師被老習(xí)慣“引入歧途”的地方,。

　　要將LED電流的精確度控制到與數(shù)位負(fù)載的供電電壓的精度相同，則會(huì)既浪費(fèi)電,，又浪費(fèi)錢,。100mA到1A是當(dāng)前大多數(shù)產(chǎn)品的電流范圍，特別是目前350mA（或者更確切地說,，光電半導(dǎo)體結(jié)的電流密度為350mA/mm2）是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案,。控制LED驅(qū)動(dòng)器的積體電路是矽基的,，所以在1.25V的范圍內(nèi)有一個(gè)典型的帶隙,。要在1.25V處達(dá)到1%的容差，亦即需要±12.5mV的電壓范圍,。這并不難實(shí)現(xiàn),，能達(dá)到這種容差或更好容差范圍的低價(jià)電壓參考電路或電源控制IC種類繁多，價(jià)格低廉,。當(dāng)控制輸出電壓時(shí),，可在極低功率下使用高精度電阻來回饋輸出電壓（如圖1a所示）,。為控制輸出電流，需要對回饋方式做出一些調(diào)整,，如圖1b所示,。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡單的手段。

　　圖1a：電壓回饋,；圖1b：電流回饋（點(diǎn)擊圖片查看高清原圖）

　　深入研究之后,，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣做的一個(gè)主要缺點(diǎn)是：負(fù)載和回饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與LED串聯(lián)的一個(gè)電阻上,，這意味著參考電壓或LED電流越高,，電阻消耗的功率越大。所以,，第一代專用LED驅(qū)動(dòng)積體電路的參考電壓要遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的產(chǎn)品,，這類似于電池充電器。電壓更低意味著功耗更低,，也意味著更小,、更便宜、更低損耗的電流檢測電阻,。在圖1b所示的簡單的低端回饋環(huán)境下,，200mV是常規(guī)的電壓選擇。但是,，要在200mV參考電壓下實(shí)現(xiàn)±1%的容差,，則需要一個(gè)價(jià)格很高的積體電路，此時(shí)相對于標(biāo)稱參考電壓的容差為±2mV,。盡管這并不是不可能實(shí)現(xiàn)的,，不過更高的精度需要更高的成本。±2mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn),、測試和分級技術(shù)，此時(shí),，附加成本應(yīng)花費(fèi)在更智慧的LED驅(qū)動(dòng)器上,。新的費(fèi)用的價(jià)值是增加了一個(gè)反饋回路，借助該回路,，可以利用光輸出（而非電流輸出）來控制如何驅(qū)動(dòng)LED,。

　　測量光輸出

　　就像數(shù)位產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在電源設(shè)計(jì)中遇到不確定問題時(shí)會(huì)采取模擬解決問題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構(gòu)師在進(jìn)行LED燈具設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)想到高精度的輸出,。LED制造商已經(jīng)清楚的表明,，光通量與前向電流成正比。利用相同的電流驅(qū)動(dòng)所有LED,，那么每個(gè)LED會(huì)產(chǎn)生相同的光通量,。因此,，電力電子工程師就會(huì)得出結(jié)論：高精確度的電流是必須的。這樣一來,，他們就忘記了光輸出的流明和勒克斯值（而不是安培值）才是重點(diǎn),。測量電流是很容易的，而相對的,，測量光則需要昂貴的大型設(shè)備,，如圖2所示的積分球，而大部分電子工程師對積分球都不太了解,。

　　圖2：光學(xué)積分球截面圖

　　另外,，即使容差為±0.1%的電流源（其價(jià)格會(huì)相當(dāng)高）有巨大的市場價(jià)值，它對在實(shí)際光輸出中產(chǎn)生嚴(yán)格的容差值上沒有什么作用,。透過觀察LED光通量的分級可以確定這一點(diǎn),。表1給出了世界三大頂級電力光電半導(dǎo)體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結(jié)果。注意最后一列是各分級的容差平均值,，而不是所有光通量分級范圍內(nèi)的容差,。

　　表1：全球前二大光電半導(dǎo)體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結(jié)果

　　計(jì)算光輸出精度

　　了解到來自單個(gè)通量分級的LED光輸出會(huì)有±3%到±10%的容差之后，系統(tǒng)工程師可能會(huì)因此得出結(jié)論：驅(qū)動(dòng)電流容差值必須是越嚴(yán)格越好,。然而從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來看,，該觀點(diǎn)并不正確。一個(gè)常見的但不正確的假設(shè)是：任何值的整體容差都等于最壞條件下各值的簡單加總僅,。為LED供電的電流源的容差和LED光通量的容差是互不相關(guān)的──它們在最初階段就已相互獨(dú)立,。對于不相關(guān)的兩個(gè)因數(shù)X和Y，整體容差Z并不是X和Y的容差之和,，而是應(yīng)該利用下述運(yùn)算式進(jìn)行計(jì)算：

　　表2和圖3給出了整體容差和一列假設(shè)電流源容差的對比情況,，此時(shí)假設(shè)LED光輸出在350mA的區(qū)域內(nèi)隨前向電流呈線性變化。

　　圖3：光輸出整體容差與電流源容差的對比

　　表2：整體容差和一列假設(shè)電流源容差的對比

　　根據(jù)方程1可以發(fā)現(xiàn),，最低容差因數(shù)的作用大于其他,，而且實(shí)際的整體容差值要遠(yuǎn)優(yōu)于各個(gè)因數(shù)在最壞情況下的容差的和，尤其是當(dāng)其中一個(gè)因數(shù)遠(yuǎn)好于其他因數(shù)時(shí),。觀察圖3,，電流源容差的最合理的目標(biāo)是將其控制在LED光輸出的容差范圍內(nèi)。記住一點(diǎn)：出于成本考慮,，許多燈具會(huì)使用來自不同分級的LED,。

　　高品質(zhì)LED燈要求更多的回饋

　　LED制造商和他們的分銷伙伴正努力地改進(jìn)產(chǎn)品的光通量容差，在合理的成本范圍內(nèi)提供更細(xì)的分級,。對于希望產(chǎn)品可使用5年或50,，000個(gè)小時(shí)，并在使用期內(nèi)保持整體光輸出不變的設(shè)計(jì)師而言,，即使想滿足最密集的通量分級和設(shè)定0.1%的容差電流源也很難實(shí)現(xiàn),。因?yàn)闊崃亢碗S著時(shí)間延長而產(chǎn)生的性能衰減等兩個(gè)重要因素會(huì)降低LED的光通量,，即使電流源容差和LED光通量容差都達(dá)到0.001%也無法解決該問題?？紤]到這些損耗,，高品質(zhì)固態(tài)照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須找到具有額外反饋回路的電源，也即找到熱量和光源,。為此需要進(jìn)行調(diào)光控制,，可以對輸出電流進(jìn)行線性控制和PWM（脈寬調(diào)變）控制的積體電路便成為最佳選擇。

　　美國國家半導(dǎo)體的LM3409和LM3424都是LED驅(qū)動(dòng)器控制IC,，它們是適用于半導(dǎo)體照明的第二代電流源,。二款產(chǎn)品均可透過可變電阻器或電壓源來控制平均的LED電流值，并且可為PMW（脈寬調(diào)變訊號）調(diào)光訊號提供專門的輸入訊號,。除了線性控制回路外,，LM3409和LM3424的類比調(diào)節(jié)功能也讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在權(quán)衡輸出電流精度及尺寸、成本和電流檢測電阻的功耗間做出自己的選擇,。

　　圖4：LM3409/09HV降壓LED驅(qū)動(dòng)器

　　圖4所示的LM3409/09HV控制降壓電路,，是功率LED驅(qū)動(dòng)器中最常用的電路模式。圖5中的LM3424可以作為升壓穩(wěn)壓器LED驅(qū)動(dòng)器,，也可以作為降壓/升壓,、SEPIC（單端主電感轉(zhuǎn)換器）、反激式甚至是‘’懸浮‘’降壓電路,。

　　圖5：LM3424升壓LED驅(qū)動(dòng)器

　　需要光控制的應(yīng)用領(lǐng)域

　　路燈是一個(gè)很好的光源示例,，因?yàn)樗袊?yán)格的法定標(biāo)準(zhǔn)限制。對于公路用路燈,，歐盟國家規(guī)定了其最小和最大的光輸出及照明模式,。對于符合此規(guī)定并提供五年或更長使用壽命的LED路燈來說，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到熱量引起的即時(shí)光通量損失和更長時(shí)間下性能下降帶來的通量損失,。一種很自然的方法是使用光感測器,，比如構(gòu)成線性控制回路的光電二極體。在系統(tǒng)啟用的第一天,，應(yīng)當(dāng)就僅使用整體可用驅(qū)動(dòng)電流的一部分,，這樣做是考慮到隨著時(shí)間推移，驅(qū)動(dòng)電流將慢慢增至一個(gè)上限,，籍此保證光輸出恒定?？梢詫⒐怆姸O體偏置,，并轉(zhuǎn)換為一路脈寬調(diào)變訊號，這將有助于在調(diào)光范圍內(nèi)維持更加恒定的相對色溫,，其線性控制回路更加簡單,，一般而言調(diào)光范圍也比較小,。根據(jù)不同的時(shí)間、運(yùn)動(dòng)感測器或其他節(jié)省功耗的措施,，對光輸出進(jìn)行控制時(shí),，PWM控制將更加有用。圖6給出了具有更長壽命,、光輸出恒定的LED燈的假定的原理圖,。

　　圖6：PWM（脈寬調(diào)變）用于日/夜控制，線性控制用于光輸出

　　本文小結(jié)

　　輸出電流精度只是評價(jià)LED驅(qū)動(dòng)器性能的一個(gè)方面,，但是當(dāng)LED本身的光通量容差保持在遠(yuǎn)高于±1%的水準(zhǔn)時(shí),，即使對電流源容差和數(shù)文書處理器中電壓軌的容差要求一樣嚴(yán)格，也幾乎沒有任何意義,，平均LED電流容差應(yīng)當(dāng)差不多等于光通量容差,。本文基于單個(gè)分級的誤差示意了一種理想情況，并給出了一些更加實(shí)際的例子,，這些例子使用兩個(gè)或更多分級的LED,，其容差也可更輕松地達(dá)到±5%、±10%或更高,。在額外的控制回路中,，應(yīng)該將錢用于1%的電流控制，并將電力用在更高的檢測電壓上都可,。有些LED燈會(huì)更強(qiáng)調(diào)簡單實(shí)用和低成本,，此時(shí)即使采用線性調(diào)光也會(huì)顯得過于復(fù)雜和昂貴，但如果想要發(fā)揮LED全部性能的燈具就需要使用線性控制或PWM（脈寬調(diào)變控制）方式或者二者協(xié)調(diào)使用,，從而提升產(chǎn)品性能和壽命,。

　　表3：相同的LED所具有的高階兩級、三級,、四級光通量分級下的容差值

　　作者：Christopher Richardson

　　美國國家半導(dǎo)體公司