用恒流穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)高亮度LED照明方案

近些年來(lái)，LED領(lǐng)域出現(xiàn)了諸如高亮度LED(HB-LED)這樣的進(jìn)展，這些技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)很快地應(yīng)用于汽車(chē)、建筑物和街道照明等終端市場(chǎng)。而且，在最新驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的配合下，高性能LED照明變得比傳統(tǒng)的照明形式更加可靠及高效，在市場(chǎng)上也越來(lái)越普及。

但由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，LED的驅(qū)動(dòng)及控制方式多種多樣。許多應(yīng)用所使用的方案并未顧及LED的特殊需要。有些方式雖然能夠應(yīng)對(duì)新的認(rèn)證需要，但并不能提供極佳的系統(tǒng)方案。因此，市場(chǎng)上存在針對(duì)特定應(yīng)用解決方案的機(jī)會(huì)和需求。

系統(tǒng)方案
安捷倫科技現(xiàn)已退休的科學(xué)家Roland Haitz博士曾強(qiáng)調(diào)：照明領(lǐng)域——實(shí)質(zhì)上已是整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。他說(shuō)道，“雖然愛(ài)迪生只是第38位發(fā)明基于燈絲的電燈的人，但他是第1個(gè)提供整個(gè)照明系統(tǒng)的人?！盚B-LED的存在，創(chuàng)造了替代現(xiàn)有多缺點(diǎn)照明技術(shù)的巨大機(jī)會(huì)。然而，與Haitz博士的觀點(diǎn)一致，我們認(rèn)為需要系統(tǒng)的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)理念，即讓HB-LED系統(tǒng)替代燈絲、熒光燈管甚至是鹵素和氙氣照明等傳統(tǒng)照明系統(tǒng)。

固態(tài)HB-LED照明系統(tǒng)的主要組件可以簡(jiǎn)單地劃分為電源轉(zhuǎn)換、控制及驅(qū)動(dòng)、熱管理、光學(xué)，當(dāng)然還包括LED本身。沒(méi)有完整提供及應(yīng)用這些組件中任何一個(gè)，給定的HB-LED照明系統(tǒng)就不能高效工作。例如，沒(méi)有使用透鏡和導(dǎo)光板來(lái)對(duì)光源對(duì)焦(focusing)及處理，就無(wú)法符合應(yīng)用的照明規(guī)格。同樣，如果沒(méi)有慎重考慮及應(yīng)對(duì)熱管理問(wèn)題，由于LED接面溫度急升至遠(yuǎn)高于組件的最高額定工作溫度，就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)工作壽命。

HB-LED照明系統(tǒng)中的電壓源會(huì)隨著應(yīng)用類(lèi)型的差異而不同。對(duì)于建筑及樓宇應(yīng)用而言，我們通?？梢灶A(yù)估供電電壓為交流電源。與此同時(shí)，戶(hù)外照明可能采用交流電源、12V鉛酸電池等未穩(wěn)壓電源或者太陽(yáng)能供電。而就汽車(chē)應(yīng)用而言，電源通常是12V電池。

盡管有可能采用電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED而不使用某種類(lèi)型的電源轉(zhuǎn)換，但這并非一個(gè)好主意，因?yàn)檎５碾妷翰▌?dòng)會(huì)導(dǎo)致LED電流大幅變化。顧及電壓/電流(V/I)曲線極為陡峭以及不同批次LED的正向電壓(通常高于1V)差異較大等因素，使用隔離或非隔離電源轉(zhuǎn)換段就是非常必要的了。

LED穩(wěn)流
LED驅(qū)動(dòng)器的主要功能就是限制電流，而不論何種輸入條件及多種工作條件下正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)器本身以及整體系統(tǒng)方案必須符合應(yīng)用在能效、電流容限、外形因子、尺寸、成本及安全性等方面的要求。所選擇的方案還必須易于應(yīng)用及足夠強(qiáng)固，以滿(mǎn)足特定應(yīng)用的極端環(huán)境條件。

設(shè)計(jì)人員根據(jù)其應(yīng)用的不同細(xì)節(jié)，可以選擇三種不同的基本穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們是：

 
● 降壓(Buck)—所有工作條件下最小輸入電壓(Vin)都始終大于LED串的最大工作電壓時(shí)采用。

圖1  降壓轉(zhuǎn)換器典型電路圖

● 升壓(Boost)—所有工作條件下最大輸入電壓(Vin)都始終小于LED串最小工作電壓時(shí)采用。

圖2 升壓轉(zhuǎn)換器典型電路圖

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● 降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)—輸入與輸出電壓之間有交迭時(shí)采用。耦合電感方面的進(jìn)步使這些方案更易于應(yīng)用在同等尺寸的降壓或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。一旦掌握，SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能夠提供比其他常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更多的優(yōu)勢(shì)，也能夠提供更高能效、更小外形及更低成本。

圖3 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器典型電路圖

LED穩(wěn)流方案的分類(lèi)

1 電阻
電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的穩(wěn)流方案。在實(shí)踐中，它們并不是一種實(shí)用的解決方案，因?yàn)樗鼈円蕾?lài)于電池電壓，導(dǎo)致LED亮度變化，能效低和必要的昂貴成本，并且需要耗時(shí)耗力的LED編碼。

2 線性穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器易于設(shè)計(jì)，能夠提供有效的穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù)，并且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，是一種“中等的”HB-LED系統(tǒng)穩(wěn)流方案。然而，在當(dāng)今這個(gè)節(jié)能意識(shí)很強(qiáng)的時(shí)代，對(duì)于許多裝置，特別是街道照明、建筑物及電池供電應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)認(rèn)為它們耗電太多及能效低到不可接受。而能效低的線性穩(wěn)壓器幾乎都會(huì)有熱管理問(wèn)題，這通常需要采用某種形式的散熱片，但會(huì)增加整體設(shè)計(jì)的尺寸及成本。

3 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是最昂貴及技術(shù)最復(fù)雜的LED電流控制方案。它們與線性穩(wěn)壓器及簡(jiǎn)單的電阻穩(wěn)流方案不同，易受電磁干擾(EMI)影響，為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了另外一項(xiàng)需要克服的挑戰(zhàn)。然而，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器能效很高，且能為應(yīng)用提供亮度控制功能。對(duì)于中到大功率方案而言，或者應(yīng)用需要處理寬輸入電壓范圍，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇。

4 恒流穩(wěn)壓器
2引腳及3引腳恒流穩(wěn)壓器（如安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的）能夠提供比線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器更簡(jiǎn)單及更低成本的方案，而且比電阻方案更具性能優(yōu)勢(shì)。2引腳組件提供固定輸出，而3引腳版本提供采用簡(jiǎn)單的外部電阻來(lái)設(shè)定輸出的功能。其輸出電流值介于20～150mA之間，最大工作電壓為45V，確保能夠承受電池負(fù)載突降電壓。

圖4 恒流穩(wěn)壓器典型電路圖

使用恒流穩(wěn)壓器就像使用線性及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一樣，確保在它們支持的寬LED電壓范圍下提供恒定亮度。它們還保護(hù)LED在較高輸入電壓時(shí)免受過(guò)驅(qū)動(dòng)影響，并大幅降低或完全消除成本高昂、問(wèn)題很多的LED庫(kù)存編碼問(wèn)題。達(dá)40V的寬輸入電壓范圍支持多種應(yīng)用條件下的工作，承受相關(guān)的供電電壓波動(dòng)。恒流穩(wěn)壓器可以配置為降壓、升壓或SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果驅(qū)動(dòng)的LED串的電流高于單個(gè)恒流穩(wěn)壓器能夠支持的范圍，就可以并聯(lián)這些組件來(lái)提供解決方案。

LED發(fā)射的光與其平均輸出電流成正比。恒流穩(wěn)壓器還能控制這個(gè)電流，提供額外的光輸出調(diào)節(jié)功能?？梢圆捎媚M調(diào)光或數(shù)字脈沖調(diào)變技術(shù)來(lái)提供調(diào)光功能。模擬調(diào)光方案結(jié)合輸入PWM信號(hào)及反饋電壓，從而降低平均輸出電流。數(shù)字調(diào)光方案使用輸入PWM信號(hào)來(lái)抑制穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)，并降低平均輸出電流。典型調(diào)光頻率為200～1000Hz，因?yàn)槿搜鄄荒芸辞甯哂?00Hz頻率時(shí)的細(xì)微變化，但可察覺(jué)低于這個(gè)頻率時(shí)的細(xì)微變化。

結(jié)語(yǔ)
HB-LED有潛能成為多種多樣照明應(yīng)用的主力軍。將HB-LED照明與其他照明技術(shù)相比時(shí)，電源能效、長(zhǎng)壽命及設(shè)計(jì)多樣性?xún)H是我們正面平價(jià)的一部分。隨著特定用途恒流穩(wěn)壓器的發(fā)展，更佳的多用途(all-round)系統(tǒng)方案將會(huì)誕生。