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[導(dǎo)讀]   半導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn),使同時專長于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)(機(jī)械工程)這三個領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前,在三個領(lǐng)域都富有經(jīng)驗的工程師并不很多,而這通常意味著系統(tǒng)工程師或者整體產(chǎn)

  半導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn),使同時專長于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)(機(jī)械工程)這三個領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前,在三個領(lǐng)域都富有經(jīng)驗的工程師并不很多,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)工程師常常會把自己在原有領(lǐng)域養(yǎng)成的習(xí)慣或積累的經(jīng)驗帶入設(shè)計工作中,這和一個主要研究數(shù)字系統(tǒng)的電子工程師轉(zhuǎn)去解決電源管理問題時所遇到的情況相似:他們可能依靠單純的仿真,不在試驗臺上對電源做測試就直接在電路板上布線,因為他們沒有認(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)過試驗臺測試,實際的工作情況很難與仿真一致。

  在設(shè)計LED燈具的過程中,當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位電子電力專家,或者電源設(shè)計被承包給一家工程公司時,一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計中常見的習(xí)慣就會出現(xiàn)在LED驅(qū)動器設(shè)計中。一些習(xí)慣是很有用的,因為led驅(qū)動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。這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,但這對LED驅(qū)動器設(shè)計而言并不是很好的習(xí)慣。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)字負(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)字電源軌的公差通常會控制在±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)計習(xí)慣引入LED驅(qū)動器設(shè)計領(lǐng)域時,通常帶來的問題是:為了實現(xiàn)對輸出電流公差的嚴(yán)格控制,將浪費更多的電力并使用更昂貴的器件,或者二者兼而有之。

  成本壓力

  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。在進(jìn)行LED驅(qū)動器設(shè)計時也不例外,事實上它面對更大的預(yù)算壓力,因為傳統(tǒng)的照明技術(shù)已經(jīng)完全實現(xiàn)了商品化,其價格已經(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)字負(fù)載的供電電壓的精度相同,則會既浪費電,又浪費成本。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)動器的集成電路是硅基的,所以在1.25 V的范圍內(nèi)有一個典型的帶隙。要在1.25V處達(dá)到1%的容差,亦即需要±12.5mV的電壓范圍。這并不難實現(xiàn),能達(dá)到這種容差或更好容差范圍的低價電壓參考電路或電源控制IC種類繁多,價格低廉。當(dāng)控制輸出電壓時,可在極低功率下使用高精度電阻來反饋輸出電壓(如圖1a所示)。為控制輸出電流,需要對反饋方式做出一些調(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:電壓反饋; 圖1b:電流反饋

  深入研究之后,就會發(fā)現(xiàn)這種做法的一個主要缺點是:負(fù)載和反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)動集成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所示的簡單的低端反饋環(huán)境下,200mV是常規(guī)的電壓選擇。但是,要在200mV參考電壓下實現(xiàn)±1%的容差,則需要一個價格很高的集成電路,此時相對于標(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)、測試和分檔技術(shù),此時,附加成本應(yīng)花費在更智能的LED驅(qū)動器上。新的費用的價值是增加了一個反饋回路,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LED。

  測量光輸出

  就像數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計師在電源設(shè)計中遇到不確定問題時會采取仿真解決問題那樣,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)計時會想到高精度的輸出。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)動所有LED,那么每個LED會產(chǎn)生相同的光通量。因此,電力電子工程師就會得出結(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。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(其價格會相當(dāng)高)有巨大的市場價值,它對在實際光輸出中產(chǎn)生嚴(yán)格的容差值上沒有什么作用。通過觀察LED 光通量的分檔可以確定這一點。表1給出了世界三大頂級電力光電半導(dǎo)體制造商的高端冷白光LED在350mA和25?C條件下的光通量分檔結(jié)果。注意最后一列是各分檔的容差平均值,而不是所有光通量分檔范圍內(nèi)的容差。

  

  表1 世界三大頂級電力光電半導(dǎo)體制造商的高端冷白光LED在350 mA和25?C下的光通量分檔結(jié)果。

  計算光輸出精度

  了解到來自單個通量分檔的LED光輸出會有±3%到±10%的容差之后,系統(tǒng)工程師可能會因此得出結(jié)論:驅(qū)動電流容差值必須是越嚴(yán)格越好。然而從統(tǒng)計學(xué)角度來看,該觀點并不正確。一個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累加。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立。對于不相關(guān)的兩個因子X和Y,整體容差Z并不是X和Y的容差之和,而是應(yīng)該利用下述表達(dá)式進(jìn)行計算:

  

  表2和圖3給出了整體容差和假設(shè)電流源容差的對比情況,此時假設(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:整體容差和假設(shè)電流源容差的對比情況。

  根據(jù)方程(1)可以發(fā)現(xiàn),最低容差因子的作用大于其他,而且實際的整體容差值要遠(yuǎn)優(yōu)于各個因子在最壞情況下的容差和,尤其是當(dāng)其中一個因子遠(yuǎn)好于其他因子時。由圖3可知,電流源容差的最合理目標(biāo)是將其控制在LED光輸出的容差范圍內(nèi)。請記?。撼鲇诔杀究紤],許多燈具會使用來自不同分檔的LED。表3列出了相同LED所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值。

  

  表3 相同LED所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值

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