照明設(shè)計人員對發(fā)光二極管(LED)照明的力捧乃是因為潛在的眾多好處，而這些好處是白熾燈,、鹵素?zé)?、熒光燈及充?弧光燈所缺乏的。雖然現(xiàn)今LED照明系統(tǒng)的商機很大,，但真正讓照明設(shè)計人員雀躍不已的卻是固態(tài)照明(Solid State Lighting)的基礎(chǔ)設(shè)計,。
要在LED照明設(shè)計上取得成功，必須密切關(guān)注三個因素,，分別是電子驅(qū)動,、散熱管理和光學(xué)效率。唯有成功平衡這三個因素,，才能享受固態(tài)照明所帶來帶來壽命長,、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,。針對如何選擇高功率LED(1瓦及以上)以及設(shè)計電路驅(qū)動等問題,，本文將為設(shè)計人員提供極有價值的參考。
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)動角度來看，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，它們開始傳導(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會發(fā)光。而由電流驅(qū)動(LED以及通過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)動設(shè)計的第一個問題是固定驅(qū)動電流,，第二個問題是確定每個LED的電壓范圍。仔細(xì)查看制造商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表,，將會找到建議的驅(qū)動電流及相應(yīng)電流條件下的VF,、主波長和光通量標(biāo)準(zhǔn)值、最小值和最大值,。典型的VF與IF對比圖(圖1)要注意的是電流為獨立的量,，表示電流控制是LED驅(qū)動器的關(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,，雖然高功率LED具有重大發(fā)展,，但單一裝置仍無法滿足一般照明需求。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LED。將LED串聯(lián)可保證流經(jīng)每個設(shè)備的電流皆相等,，并確保每個組件都發(fā)出均勻的光,。總而言之,，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)動器決定,。圖2、3,、4分別顯示三種驅(qū)動由九個1瓦LED組成的照明系統(tǒng)的方法,。
LED配置的優(yōu)勢是可使用單一LED驅(qū)動器(圖2)，并可保證流經(jīng)每個LED的電流都相等。缺點則是會導(dǎo)致最高的輸出電壓,，因而需要尺寸更大,、價格更高的電路組件及滿足安全要求。此外,，若其中任何一個LED有「開路」的問題,，全部的LED將無法發(fā)光。
圖2 單一串行電路中的九個LED
圖3所示的LED配置具有更低輸出電壓和減少觸電危險的優(yōu)勢,。如果一個LED發(fā)生故障,，其他兩個支路會繼續(xù)工作，這樣設(shè)計有利也有弊,。一方面,，一個LED發(fā)生故障不會使整個燈不亮。另一方面,，作為電流源的LED驅(qū)動器現(xiàn)在必須將更多電流(1.5×IF)施加到其他的支路中,。這會使LED變得過熱，而縮短使用壽命,。串并聯(lián)數(shù)組的第二個缺點是LED不會均等分享驅(qū)動電流,，除非它們的VF相符。這需要由LED制造商對其產(chǎn)品分批,，因此增加了成本,。即使進(jìn)行VF分批，如果在設(shè)計時沒有為每個LED提供均等的散熱,，LED中VF的負(fù)溫度系數(shù)也會導(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LED
圖4說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,。采用單獨的驅(qū)動器可將輸出電壓保持在較低的水平，毋需VF分檔,，即使兩個不同支路的兩個LED都發(fā)生故障,，燈仍可保持一些光輸出。如果LED驅(qū)動器是交換式穩(wěn)壓器,，三個驅(qū)動器(及周圍的被動組件)的成本和占用元空間都會過高,。
圖4 由三個驅(qū)動器驅(qū)動的九個LED
電流控制是LED驅(qū)動器關(guān)鍵
在任何情況下，都不能將單個LED與110伏特或220伏特交流(AC)電壓直接連接,；這只能帶來瞬間的燦爛且具危險性,。直流(DC)電源有電池、太陽能電池及燃料電池等多種形式,，但對于一般照明,，AC線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,。在不同的國家,，潮濕、干燥,、密閉或敞開環(huán)境，電子規(guī)范都有所不同,?？傮w而言，很少有允許輸出電壓超過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)范仍很模糊且時有修改，而利用現(xiàn)有的脫機電源生成中轉(zhuǎn)DC總線電壓是安全的選擇,，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,，在過去3、4年中,，各種直流對直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器IC已投入市場,，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LED
有些制造商提供完整的AC輸入,、DC電流輸出驅(qū)動器模塊,，雖然符合絕緣和功率因素校正(PFC)要求，但能驅(qū)動的LED數(shù)量和類型有限,。DC-DC轉(zhuǎn)換器能精確地驅(qū)動LED,，因為它們的輸出電流恒定，符合LED的需求,。要實現(xiàn)LED不同配置所需的靈活性,，固態(tài)照明設(shè)計人員必須知道哪些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LED串聯(lián)起來的系統(tǒng),，需要的總輸出電壓為：VO = n x VF + VSNS,。在該數(shù)列中，「VSNS」表示通過一個串聯(lián)電流傳感組件(通常為電阻)的電壓降,。
對于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)動器的首選產(chǎn)品，因為它們結(jié)構(gòu)簡單,、組件數(shù)量少,、適合恒電流輸出及廣泛的控制IC選擇。對于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，但它們采用一個單獨的傳感器和兩個電源開關(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,。這種類型的穩(wěn)壓器應(yīng)該是電子驅(qū)動設(shè)計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,。
此外，降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器各自采用一個基本拓?fù)?，而降?-升壓穩(wěn)壓器則采用單個電感反向拓?fù)?Inverting Topology),、SEPIC拓?fù)洹uk拓?fù)浼胺瘩Y式(Flyback)拓?fù)?耦合電感)等,。選擇拓?fù)鋵嵗缦拢?br />
? 采用降壓穩(wěn)壓器
以采用六個白色(InGaN)LED的小型LED燈為例,。驅(qū)動電流為1安培±10%，這是3瓦LED的標(biāo)準(zhǔn)電流,。所有六個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VF范圍，輸出電壓的范圍可以是18～30伏特,，這樣的燈具可銷往全球,，并且必須在85～265伏特AC的通用AC輸入電壓范圍內(nèi)運作,；購買標(biāo)隔離線電源，它會提供一個中轉(zhuǎn)總線電壓(Intermediate Bus Voltage)VBUS,。這里需要的是擁有標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓的脫機電源,，因為它具有最廣泛的產(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，每個電壓都有±5%的誤差,。48伏特是最理想的選擇,，因為它將提供效率最高但價格卻最低的LED驅(qū)動拓?fù)?-降壓驅(qū)動器。
此外,，脫機轉(zhuǎn)換將比12伏特或24伏特選擇更有效，因為將AC電壓逐步降低為48伏特時,，輸出電流會更低,，轉(zhuǎn)換速率也會更慢。圖5為降壓LED驅(qū)動器的實例,。
圖5 降壓LED驅(qū)動器
? 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。電感升壓穩(wěn)壓器和交換式電容升壓穩(wěn)壓器在驅(qū)動小型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1瓦的白色LED發(fā)出，LED由350毫安±10%的電流驅(qū)動,。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,，充滿電時每個電池的工作電壓為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,，但如此會導(dǎo)致可供驅(qū)動器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,。以下為實例電路(圖6)。
圖6 升壓LED驅(qū)動器
? 采用降壓-升壓穩(wěn)壓器
汽車電子系統(tǒng)由于具有廣泛的電壓范圍,，因此為LED驅(qū)動電子組件帶來特殊挑戰(zhàn),，然而因LED的可靠性,、使用壽命和發(fā)光效率，汽車卻是較早采用高功率LED的應(yīng)用之一,。汽車尾燈,、方向燈及車內(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,。此問題是因為所有LED會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,，有幾家公司購買了裸片并專門進(jìn)行封裝,，生產(chǎn)多晶粒LED模塊。這種產(chǎn)品在六個串聯(lián)連接與三個并聯(lián)串的LED中結(jié)合十八個晶粒,?？傭?qū)動電流為1安培，VF的范圍為18～24伏特,。標(biāo)準(zhǔn)汽車電池和交流發(fā)電機系統(tǒng)的工作電壓范圍是9～16伏特,，但通常包括「雙電池」測試，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)兩分鐘或更長時間,?！肛?fù)載突降(Load Dump)」浪涌(由交流發(fā)電機運行時的電池斷路所造成)可能超過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)動器不得不降壓和升壓。單個電感降壓-升壓驅(qū)動器(圖7)比SEPIC,、Cuk或四開關(guān)降壓-升壓驅(qū)動器需要更少組件,。但它的缺點是輸出電流是根據(jù)VIN控制，需要浮動的,、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)動器
驅(qū)動器特性關(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LED的電流調(diào)節(jié)器，但是這個解決方案并不理想,。專用的高功率LED驅(qū)動器應(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)勢在于這樣的IC設(shè)計允許使用者將VSNS調(diào)節(jié)到與控制電壓成比例,，讓用戶可靈活地在效率和SNR上采取折衷策略,，并且仍可像線性電流調(diào)節(jié)器一樣工作。
LED的亮度調(diào)節(jié)是透過脈沖寬度調(diào)變(PWM)以保持光源的穩(wěn)定一致或色溫穩(wěn)定,。脈沖超過一定的頻率(一般為200Hz),，人類的眼睛就無法辨別單個脈沖，將LED電流保持在一定水平上并同時調(diào)節(jié)脈沖寬度,，感受到的光平均強度就會相對改變,。LED驅(qū)動器IC應(yīng)接受邏輯電平PWM訊號，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,，以一個與邏輯訊號相符的控制電流,，將脈沖施加到LED上。為了保持輸出電流對PWM訊號的正確性,，傳播延遲必須降到最低,，同時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/關(guān)接腳(Enable/Shutdown Pin),，它們通常會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,、緩啟動和排序,。
以降壓轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動器應(yīng)該能在沒有輸出電容器的情況下工作，因為這會將輸出電壓轉(zhuǎn)換為高阻抗,，并且使它們與具有無限大阻抗的理想電流源最為匹配,。在沒有輸出電容的情況下，輸出電壓可快速轉(zhuǎn)換,，這對于快速PWM調(diào)光是必須的,。沒有輸出電容的降壓轉(zhuǎn)換器可以和一個平行調(diào)光場效晶體管(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,，因為保持連續(xù)的電感電流會消除最大的系統(tǒng)延遲,。缺點是在LED關(guān)閉時消耗了一些功率，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)動器
LED驅(qū)動器經(jīng)常暴露于極端的環(huán)境溫度,，這類環(huán)境甚至對電源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)動器也裝在MCPCB時，可獲得最佳(最低)熱電阻,。熱增益型封裝的實例包括無鉛針腳框架(Lead Frame)封裝(中心有一個散熱片)以及針腳型封裝的占用空間兼容版本(比如SOIC-8和TSSOP-14）,，在其底部有一個散熱片。由于鋁基板成本極高,，因此通常不會將驅(qū)動電子組件裝在MCPCB上,。大部分的應(yīng)用中，LED驅(qū)動器必須克服高溫環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)FR4 PCB散熱性能降低的問題,。
當(dāng)LED直接由交換式穩(wěn)壓器驅(qū)動時,，最令人擔(dān)憂的故障是輸出開路。一些LED驅(qū)動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,，最大的擔(dān)憂是其中一個LED發(fā)生開路的情形。這是LED最常見的故障,，它造成回授路徑斷開,，不管是哪種控制類型，結(jié)果都是輸出電壓的大幅上升,。降壓穩(wěn)壓器還有一個安全問題,，即VO只能上升到與VIN一樣高的準(zhǔn)位。因為它們的輸出電壓會上升,，升壓和降壓-升壓LED驅(qū)動器必須采取預(yù)防措施,，直至一個或多個電路組件發(fā)生故障。如同穩(wěn)壓器在遇到輸出短路時會重置,、斷續(xù)或閉鎖(Latch-off),，LED驅(qū)動器，特別是升壓或降壓--升壓類型的驅(qū)動器,，在發(fā)生輸出開路時應(yīng)提供自動保護(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)時間延長的情況下,，將功耗降至最小,。