實例解析高功率LED照明設(shè)計

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、鹵素燈、熒光燈及充氣/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(SolidStateLighting)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)配置可達理想照明標準

用于固態(tài)照明的LED晶粒一般由半導體材料制成。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)換熒光體的藍色LED，若從電子驅(qū)動角度來看，則與藍色LED相同。和標準的PN接面二極管相同的是，當LED被正向偏置時，它們開始傳導電流；而與標準的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。InAlGaPLED典型的正向電壓VF為2～3伏特，而InGaNLED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)動電流及相應電流條件下的VF、主波長和光通量標準值、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InAlGapLED和白色InGaNLED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(標準色溫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?？偠灾M可能將多的LED串聯(lián)，然后進一步添加串行電路，直到總光輸出達到理想標準?？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)范和安全標準及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的負溫度系數(shù)也會導致支路之間的電流不均衡。

圖33x3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

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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的應用。將LED用于一般照明的研究才剛剛起步，標準和規(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=nxVF+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的范圍重疊，則需要降壓-升壓穩(wěn)壓器。這種類型的穩(wěn)壓器應該是電子驅(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撲，而降壓--升壓穩(wěn)壓器則采用單個電感反向拓撲(InvertingTopology)、SEPIC拓撲、Cuk拓撲及反馳式(Flyback)拓撲(耦合電感)等。選擇拓撲實例如下：

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的標準電流。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；購買標隔離線電源，它會提供一個中轉(zhuǎn)總線電壓(IntermediateBusVoltage)VBUS。這里需要的是擁有標準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)動拓撲--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

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‧采用升壓穩(wěn)壓器

升壓穩(wěn)壓器在可攜式應用、電池輸入應用中更常見。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，然而本應用屬于自行車照明或軍用/警用手電筒等應用的攜帶式照明燈。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。總驅(qū)動電流為1安培，VF的范圍為18～24伏特。標準汽車電池和交流發(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。「負載突降(LoadDump)」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、微分電流感應完成控制回路。上述電流感應需求可由圖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，電流感應電壓VSNS必須低，才可將電流感應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應接受邏輯電平PWM訊號，并且能夠像高傳真雙準位放大器(HighFidELityBi-levelAmplifier)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)標準電源控制IC的開/關(guān)接腳(Enable/ShutdownPin)，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)壓器拓撲。

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)和銅導層的鋁基板構(gòu)成。當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(LeadFrame)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。大部分的應用中，LED驅(qū)動器必須克服高溫環(huán)境及標準FR4PCB散熱性能降低的問題。

當LED直接由交換式穩(wěn)壓器驅(qū)動時，最令人擔憂的故障是輸出開路。一些LED驅(qū)動器通常具有電流限制，但當輸出電流被控制在穩(wěn)定狀態(tài)時，最大的擔憂是其中一個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)生輸出開路時應提供自動保護。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。