照明設(shè)計(jì)人員對(duì)發(fā)光二極管(LED)照明的力捧乃是因?yàn)闈撛诘谋姸嗪锰?，而這些好處是白熾燈,、鹵素?zé)簟晒鉄艏俺錃?弧光燈所缺乏的,。雖然現(xiàn)今LED照明系統(tǒng)的商機(jī)很大,，但真正讓照明設(shè)計(jì)人員雀躍不已的卻是固態(tài)照明(Solid State Lighting)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

 
　　要在LED照明設(shè)計(jì)上取得成功,，必須密切關(guān)注三個(gè)因素，分別是電子驅(qū)動(dòng),、散熱管理和光學(xué)效率,。唯有成功平衡這三個(gè)因素，才能享受固態(tài)照明所帶來(lái)帶來(lái)壽命長(zhǎng),、高電子效率,、高亮度和純色(或白色LED嚴(yán)格控制的色溫)等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)如何選擇高功率LED(1瓦及以上)以及設(shè)計(jì)電路驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題,，本文將為設(shè)計(jì)人員提供極有價(jià)值的參考,。 

　　LED串聯(lián)配置可達(dá)理想照明標(biāo)準(zhǔn) 

　　用于固態(tài)照明的LED晶粒一般由半導(dǎo)體材料制成。紅色,、橙色和琥珀色LED幾乎都采用InAlGaP制成,，綠色和藍(lán)色LED則大多采InGaN制成,；而白色LED則是使用帶有轉(zhuǎn)換熒光體的藍(lán)色LED，若從電子驅(qū)動(dòng)角度來(lái)看,，則與藍(lán)色LED相同,。和標(biāo)準(zhǔn)的PN接面二極管相同的是，當(dāng)LED被正向偏置時(shí),，它們開(kāi)始傳導(dǎo)電流,；而與標(biāo)準(zhǔn)的PN接面二極管不同的則是正向偏置中的LED會(huì)發(fā)光。而由電流驅(qū)動(dòng)(LED以及通過(guò)LED極低的直流正向電壓等兩種特性,，使得LED不同于其他光源,。InAlGaP LED典型的正向電壓VF為2～3伏特，而InGaN LED的正向電壓則為3～4伏特,，但LED的光通量與正向電流IF成比例關(guān)系,。電子驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)問(wèn)題是固定驅(qū)動(dòng)電流，第二個(gè)問(wèn)題是確定每個(gè)LED的電壓范圍,。仔細(xì)查看制造商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表,，將會(huì)找到建議的驅(qū)動(dòng)電流及相應(yīng)電流條件下的VF、主波長(zhǎng)和光通量標(biāo)準(zhǔn)值,、最小值和最大值,。典型的VF與IF對(duì)比圖(圖1)要注意的是電流為獨(dú)立的量，表示電流控制是LED驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵,。

 
圖1　紅色I(xiàn)nAlGap LED和白色I(xiàn)nGaN LED的VF與IF比較

　　近年來(lái),，雖然高功率LED具有重大發(fā)展，但單一裝置仍無(wú)法滿(mǎn)足一般照明需求,。由業(yè)界生產(chǎn)的旗艦性產(chǎn)品1瓦白色LED(標(biāo)準(zhǔn)色溫6,500K),，可產(chǎn)生100流明的光通量。但與典型的60瓦白熾燈泡相比,，LED照明射角相對(duì)較窄,。白熾燈泡的典型發(fā)光效率為15lm/W，可產(chǎn)生900流明的光,，幾乎均勻地分布于各個(gè)方向,。如果目標(biāo)是照亮以前采用白熾燈泡的空間，則需要多個(gè)LED,。將LED串聯(lián)可保證流經(jīng)每個(gè)設(shè)備的電流皆相等,，并確保每個(gè)組件都發(fā)出均勻的光?？偠灾?，盡可能將多的LED串聯(lián)，然后進(jìn)一步添加串行電路，直到總光輸出達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn),?？刹捎么?lián)配置的LED數(shù)量取決于幾個(gè)因素，但主要由輸入電壓,、電子規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)及LED驅(qū)動(dòng)器決定,。圖2、3,、4分別顯示三種驅(qū)動(dòng)由九個(gè)1瓦LED組成的照明系統(tǒng)的方法,。 

　　LED配置的優(yōu)勢(shì)是可使用單一LED驅(qū)動(dòng)器(圖2)，并可保證流經(jīng)每個(gè)LED的電流都相等,。缺點(diǎn)則是會(huì)導(dǎo)致最高的輸出電壓,，因而需要尺寸更大、價(jià)格更高的電路組件及滿(mǎn)足安全要求,。此外,，若其中任何一個(gè)LED有「開(kāi)路」的問(wèn)題，全部的LED將無(wú)法發(fā)光,。

 
圖2　單一串行電路中的九個(gè)LED

　　圖3所示的LED配置具有更低輸出電壓和減少觸電危險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì),。如果一個(gè)LED發(fā)生故障，其他兩個(gè)支路會(huì)繼續(xù)工作,，這樣設(shè)計(jì)有利也有弊,。一方面，一個(gè)LED發(fā)生故障不會(huì)使整個(gè)燈不亮,。另一方面,，作為電流源的LED驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在必須將更多電流(1.5×IF)施加到其他的支路中。這會(huì)使LED變得過(guò)熱,，而縮短使用壽命,。串并聯(lián)數(shù)組的第二個(gè)缺點(diǎn)是LED不會(huì)均等分享驅(qū)動(dòng)電流，除非它們的VF相符,。這需要由LED制造商對(duì)其產(chǎn)品分批,，因此增加了成本。即使進(jìn)行VF分批,，如果在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有為每個(gè)LED提供均等的散熱,，LED中VF的負(fù)溫度系數(shù)也會(huì)導(dǎo)致支路之間的電流不均衡。

 
圖3　3x3串聯(lián)-并聯(lián)數(shù)組中的九個(gè)LED

　　圖4說(shuō)明一種可提供最大系統(tǒng)穩(wěn)定性的保守方法,，但這種方法的成本最高，并且占用最多空間,。采用單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器可將輸出電壓保持在較低的水平,，毋需VF分檔，即使兩個(gè)不同支路的兩個(gè)LED都發(fā)生故障，燈仍可保持一些光輸出,。如果LED驅(qū)動(dòng)器是交換式穩(wěn)壓器,，三個(gè)驅(qū)動(dòng)器(及周?chē)谋粍?dòng)組件)的成本和占用元空間都會(huì)過(guò)高。

 
圖4　由三個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的九個(gè)LED

　　電流控制是LED驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵 

　　在任何情況下,，都不能將單個(gè)LED與110伏特或220伏特交流(AC)電壓直接連接,；這只能帶來(lái)瞬間的燦爛且具危險(xiǎn)性。直流(DC)電源有電池,、太陽(yáng)能電池及燃料電池等多種形式,，但對(duì)于一般照明，AC線(xiàn)路電壓為最普遍的輸入電壓,。LED照明系統(tǒng)的電路須能夠輸入較高AC電壓,，并輸出較低電壓的DC電流。在不同的國(guó)家,，潮濕,、干燥、密閉或敞開(kāi)環(huán)境,，電子規(guī)范都有所不同,。總體而言,，很少有允許輸出電壓超過(guò)60伏特DC的應(yīng)用,。將LED用于一般照明的研究才剛剛起步，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范仍很模糊且時(shí)有修改,，而利用現(xiàn)有的脫機(jī)電源生成中轉(zhuǎn)DC總線(xiàn)電壓是安全的選擇,，該電源具有電絕緣和功率因子校正功能，并且符合相應(yīng)的安全規(guī)范,。輸出電壓一般為12伏特,、24伏特和48伏特，在過(guò)去3,、4年中,，各種直流對(duì)直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器IC已投入市場(chǎng)，這些IC可饋入通用DC電壓并向串聯(lián)的LED輸出恒電流,。 

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器能精確驅(qū)動(dòng)LED 

　　有些制造商提供完整的AC輸入,、DC電流輸出驅(qū)動(dòng)器模塊，雖然符合絕緣和功率因素校正(PFC)要求,，但能驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)量和類(lèi)型有限,。DC-DC轉(zhuǎn)換器能精確地驅(qū)動(dòng)LED，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲭娏骱愣?，符合LED的需求,。要實(shí)現(xiàn)LED不同配置所需的靈活性,，固態(tài)照明設(shè)計(jì)人員必須知道哪些DC-DC轉(zhuǎn)換器IC可以使用及如何選擇最適合應(yīng)用的組件。 

　　首先,，IC必須能處理所選擇的輸入電壓,，并且能在很大的輸出電壓范圍內(nèi)輸出所需的電流。由n個(gè)LED串聯(lián)起來(lái)的系統(tǒng),，需要的總輸出電壓為：VO = n x VF + VSNS,。在該數(shù)列中，「VSNS」表示通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電流傳感組件(通常為電阻)的電壓降,。 

　　對(duì)于VIN-MIN大于VO-MAX的系統(tǒng),，可使用降壓穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓器是以交換式轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)之LED驅(qū)動(dòng)器的首選產(chǎn)品,，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、組件數(shù)量少、適合恒電流輸出及廣泛的控制IC選擇,。對(duì)于VO-MIN大于VIN-MAX的系統(tǒng),，應(yīng)使用升壓穩(wěn)壓器。雖然升壓穩(wěn)壓器不太適用于LED驅(qū)動(dòng),，但它們采用一個(gè)單獨(dú)的傳感器和兩個(gè)電源開(kāi)關(guān),。與降壓穩(wěn)壓器相同的是，它們的效率很高,，并且在控制IC的選擇方面是除降壓穩(wěn)壓器之外的第二選擇,。 

　　最后，如果VIN和VO的范圍重迭,，則需要降壓-升壓穩(wěn)壓器,。這種類(lèi)型的穩(wěn)壓器應(yīng)該是電子驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)所能采取的最后方法，但由于制程和溫度的原因,，輸入電壓范圍和誤差與LED的VF誤差相結(jié)合,，通常使照明設(shè)計(jì)人員不得不做出此困難的選擇。降壓--升壓穩(wěn)壓器傾向于使用更多組件,，效率不高,，而且比降壓穩(wěn)壓器或升壓穩(wěn)壓器更難設(shè)計(jì)。 

　　此外,，降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器各自采用一個(gè)基本拓?fù)?，而降?-升壓穩(wěn)壓器則采用單個(gè)電感反向拓?fù)?Inverting Topology)、SEPIC拓?fù)?、Cuk拓?fù)浼胺瘩Y式(Flyback)拓?fù)?耦合電感)等,。選擇拓?fù)鋵?shí)例如下：
　　? 采用降壓穩(wěn)壓器
　　 以采用六個(gè)白色(InGaN)LED的小型LED燈為例。驅(qū)動(dòng)電流為1安培±10%,，這是3瓦LED的標(biāo)準(zhǔn)電流,。所有六個(gè)LED將采用串聯(lián)配置,，查看LED數(shù)據(jù)表之后得出以下正向電壓數(shù)據(jù)：VF-MIN=3.0V，VF-TYP=3.7V,，VF-MAX= 5.0V。
該LED可進(jìn)行分批而縮小VF的范圍,，但會(huì)增加成本,，尤其是如果使用的LED已根據(jù)光通量和/或色溫進(jìn)行分批。如果采用整個(gè)VF范圍,，輸出電壓的范圍可以是18～30伏特,，這樣的燈具可銷(xiāo)往全球，并且必須在85～265伏特AC的通用AC輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)作,；購(gòu)買(mǎi)標(biāo)隔離線(xiàn)電源,，它會(huì)提供一個(gè)中轉(zhuǎn)總線(xiàn)電壓(Intermediate Bus Voltage)VBUS。這里需要的是擁有標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓的脫機(jī)電源,，因?yàn)樗哂凶顝V泛的產(chǎn)品可以選擇,，也具最低成本，因此可選的VBUS為12伏特,、24伏特或48伏特,，每個(gè)電壓都有±5%的誤差。48伏特是最理想的選擇,，因?yàn)樗鼘⑻峁┬首罡叩珒r(jià)格卻最低的LED驅(qū)動(dòng)拓?fù)?-降壓驅(qū)動(dòng)器,。
此外，脫機(jī)轉(zhuǎn)換將比12伏特或24伏特選擇更有效,，因?yàn)閷C電壓逐步降低為48伏特時(shí),，輸出電流會(huì)更低，轉(zhuǎn)換速率也會(huì)更慢,。圖5為降壓LED驅(qū)動(dòng)器的實(shí)例,。

 
圖5　降壓LED驅(qū)動(dòng)器 

　　? 采用升壓穩(wěn)壓器 
　　升壓穩(wěn)壓器在可攜式應(yīng)用、電池輸入應(yīng)用中更常見(jiàn),。電感升壓穩(wěn)壓器和交換式電容升壓穩(wěn)壓器在驅(qū)動(dòng)小型LED的背光顯示上都取得重大成功,，然而本應(yīng)用屬于自行車(chē)照明或軍用/警用手電筒等應(yīng)用的攜帶式照明燈。僅由三個(gè)1瓦的白色LED發(fā)出,，LED由350毫安±10%的電流驅(qū)動(dòng),。如上述的范例，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表規(guī)定了以下正向電壓限制：VF-MIN =3.0V,，VF-TYP=3.7V,，VF-MAX = 5.0V
該燈的輸入電壓為三顆1.5伏特AA電池，充滿(mǎn)電時(shí)每個(gè)電池的工作電壓為1.5伏特,，完全放電后的工作電壓下降至0.9伏特,。所有三顆電池都可并聯(lián)配置,，但如此會(huì)導(dǎo)致可供驅(qū)動(dòng)器IC工作的電壓極為有限；因此,，這里需要將三顆電池改為串聯(lián)配置,。VIN的范圍是2.7～4.5伏特，VO-MIN為9伏特,，使得電感升壓穩(wěn)壓器非常適用,。以下為實(shí)例電路(圖6)。

 
圖6　升壓LED驅(qū)動(dòng)器 

　　? 采用降壓-升壓穩(wěn)壓器 
　　汽車(chē)電子系統(tǒng)由于具有廣泛的電壓范圍,，因此為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電子組件帶來(lái)特殊挑戰(zhàn),，然而因LED的可靠性、使用壽命和發(fā)光效率,，汽車(chē)卻是較早采用高功率LED的應(yīng)用之一,。汽車(chē)尾燈、方向燈及車(chē)內(nèi)照明系統(tǒng)很早就轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)照明系統(tǒng),，但由于獲得光通量所需的LED數(shù)量,，前照燈(近光、遠(yuǎn)光,、霧燈等)經(jīng)證明很難采用LED照明,。此問(wèn)題是因?yàn)樗蠰ED會(huì)隨著晶粒溫度的升高而失去光輸出，為了解決從極小的區(qū)域獲得極高光通量(1,000流明以上)的難題,，除了LED制造商外,，有幾家公司購(gòu)買(mǎi)了裸片并專(zhuān)門(mén)進(jìn)行封裝，生產(chǎn)多晶粒LED模塊,。這種產(chǎn)品在六個(gè)串聯(lián)連接與三個(gè)并聯(lián)串的LED中結(jié)合十八個(gè)晶粒,。總驅(qū)動(dòng)電流為1安培,，VF的范圍為18～24伏特,。標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)電池和交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的工作電壓范圍是9～16伏特，但通常包括「雙電池」測(cè)試,，也就是要求系統(tǒng)電子組件能在28伏特電壓下工作(或至少維持)兩分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間,。「負(fù)載突降(Load Dump)」浪涌(由交流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電池?cái)嗦匪斐?可能超過(guò)100伏特,，但通常固定在約40伏特,。此一廣泛的輸入電壓范圍，使得驅(qū)動(dòng)器不得不降壓和升壓,。單個(gè)電感降壓-升壓驅(qū)動(dòng)器(圖7)比SEPIC,、Cuk或四開(kāi)關(guān)降壓-升壓驅(qū)動(dòng)器需要更少組件。但它的缺點(diǎn)是輸出電流是根據(jù)VIN控制,，需要浮動(dòng)的,、微分電流感應(yīng)完成控制回路,。上述電流感應(yīng)需求可由圖7的低成本雙PNP晶體管實(shí)現(xiàn)，但是若改用IC電流感應(yīng)放大器,，將可獲得更高精確度與高性能,。

 
圖7　降壓-升壓驅(qū)動(dòng)器  

　　驅(qū)動(dòng)器特性關(guān)鍵在于　控制/感應(yīng)輸出電流 

　　幾乎所有具有可調(diào)節(jié)輸出電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器IC都可被轉(zhuǎn)成驅(qū)動(dòng)LED的電流調(diào)節(jié)器，但是這個(gè)解決方案并不理想,。專(zhuān)用的高功率LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該具備一些其他DC-DC轉(zhuǎn)換器所不具備的特性,，主要關(guān)鍵在于是否能精確且有效地感應(yīng)和控制輸出電流。不管電阻器在IC的內(nèi)部或外部,，電流感應(yīng)電壓VSNS必須低，才可將電流感應(yīng)電阻器中的功耗降至最低,。但VSNS不能低到影響訊噪比(SNR),；它的特殊優(yōu)勢(shì)在于這樣的IC設(shè)計(jì)允許使用者將VSNS調(diào)節(jié)到與控制電壓成比例，讓用戶(hù)可靈活地在效率和SNR上采取折衷策略,，并且仍可像線(xiàn)性電流調(diào)節(jié)器一樣工作,。 

　　LED的亮度調(diào)節(jié)是透過(guò)脈沖寬度調(diào)變(PWM)以保持光源的穩(wěn)定一致或色溫穩(wěn)定。脈沖超過(guò)一定的頻率(一般為200Hz),，人類(lèi)的眼睛就無(wú)法辨別單個(gè)脈沖,，將LED電流保持在一定水平上并同時(shí)調(diào)節(jié)脈沖寬度，感受到的光平均強(qiáng)度就會(huì)相對(duì)改變,。LED驅(qū)動(dòng)器IC應(yīng)接受邏輯電平PWM訊號(hào),，并且能夠像高傳真雙準(zhǔn)位放大器(High Fidelity Bi-level Amplifier)一樣發(fā)揮作用，以一個(gè)與邏輯訊號(hào)相符的控制電流,，將脈沖施加到LED上,。為了保持輸出電流對(duì)PWM訊號(hào)的正確性，傳播延遲必須降到最低,，同時(shí)LED電流上升和下降的轉(zhuǎn)換速率必須提升到最高,。在此毋須使用大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電源控制IC的開(kāi)/關(guān)接腳(Enable/Shutdown Pin)，它們通常會(huì)造成很大延遲而將關(guān)閉電流降到最低,，并且有意限制轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行追蹤,、緩啟動(dòng)和排序。 

　　以降壓轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該能在沒(méi)有輸出電容器的情況下工作,，因?yàn)檫@會(huì)將輸出電壓轉(zhuǎn)換為高阻抗,，并且使它們與具有無(wú)限大阻抗的理想電流源最為匹配。在沒(méi)有輸出電容的情況下,，輸出電壓可快速轉(zhuǎn)換,，這對(duì)于快速PWM調(diào)光是必須的。沒(méi)有輸出電容的降壓轉(zhuǎn)換器可以和一個(gè)平行調(diào)光場(chǎng)效晶體管(FET)連接(圖8),，這種調(diào)光方法至少將傳播延遲和轉(zhuǎn)換速度降低一級(jí),，因?yàn)楸３诌B續(xù)的電感電流會(huì)消除最大的系統(tǒng)延遲,。缺點(diǎn)是在LED關(guān)閉時(shí)消耗了一些功率，但輸出電壓可下降至與VSNS相等的準(zhǔn)位,，從而將損失的功率降到最低,；重要的是，降壓穩(wěn)壓器是唯一具有并行調(diào)光FET的交換式穩(wěn)壓器拓?fù)洹?/p>

 
圖8　帶有并行FET調(diào)光的降壓LED驅(qū)動(dòng)器

　　LED驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常暴露于極端的環(huán)境溫度,，這類(lèi)環(huán)境甚至對(duì)電源IC而言屬于極端溫度,。散熱片的高成本、LED的促狹空間,，都轉(zhuǎn)化為惡劣的散熱問(wèn)題,。因此須要將操作溫度額定值設(shè)定到至少125℃，并且采用高功率封裝,。高功率LED通常裝在金屬核心印刷電路板(MCPCB)上,，由一個(gè)帶有用于電子連接的電介質(zhì)和銅導(dǎo)層的鋁基板構(gòu)成。當(dāng)將熱增益型封裝中的驅(qū)動(dòng)器也裝在MCPCB時(shí),，可獲得最佳(最低)熱電阻,。熱增益型封裝的實(shí)例包括無(wú)鉛針腳框架(Lead Frame)封裝(中心有一個(gè)散熱片)以及針腳型封裝的占用空間兼容版本(比如SOIC-8和TSSOP-14），在其底部有一個(gè)散熱片,。由于鋁基板成本極高,，因此通常不會(huì)將驅(qū)動(dòng)電子組件裝在MCPCB上。大部分的應(yīng)用中,，LED驅(qū)動(dòng)器必須克服高溫環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)FR4 PCB散熱性能降低的問(wèn)題,。 

　　當(dāng)LED直接由交換式穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)時(shí)，最令人擔(dān)憂(yōu)的故障是輸出開(kāi)路,。一些LED驅(qū)動(dòng)器通常具有電流限制,，但當(dāng)輸出電流被控制在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，最大的擔(dān)憂(yōu)是其中一個(gè)LED發(fā)生開(kāi)路的情形,。這是LED最常見(jiàn)的故障,，它造成回授路徑斷開(kāi)，不管是哪種控制類(lèi)型,，結(jié)果都是輸出電壓的大幅上升,。降壓穩(wěn)壓器還有一個(gè)安全問(wèn)題，即VO只能上升到與VIN一樣高的準(zhǔn)位,。因?yàn)樗鼈兊妮敵鲭妷簳?huì)上升,，升壓和降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器必須采取預(yù)防措施，直至一個(gè)或多個(gè)電路組件發(fā)生故障,。如同穩(wěn)壓器在遇到輸出短路時(shí)會(huì)重置,、斷續(xù)或閉鎖(Latch-off)，LED驅(qū)動(dòng)器，特別是升壓或降壓--升壓類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器,，在發(fā)生輸出開(kāi)路時(shí)應(yīng)提供自動(dòng)保護(hù),。如圖7所示，齊納二極管可用于使輸出電壓保持在一定范圍內(nèi),。齊納潰損電壓值應(yīng)設(shè)置于穩(wěn)壓器的最大VO之上,，反向電流設(shè)置為1毫安，才可在故障狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)的情況下,，將功耗降至最小,。