實(shí)例解析高功率LED照明設(shè)計(jì)

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)?、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(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(SolidStateLighting)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。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(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。

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)。可采用串聯(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足安全要求。此外，若其中任何一個(gè)LED有「開路」的問(wèn)題，全部的LED將無(wú)法發(fā)光。

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(及周圍的被動(dòng)組件)的成本和占用元空間都會(huì)過(guò)高。

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(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=nxVF+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(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)?InvertingTopology)、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?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)買標(biāo)隔離線電源，它會(huì)提供一個(gè)中轉(zhuǎn)總線電壓(IntermediateBusVoltage)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?strong>AC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。

‧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)。

‧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(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(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?？傭?qū)動(dòng)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(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?！肛?fù)載突降(LoadDump)」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。

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(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(HighFidELityBi-levelAmplifier)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/關(guān)接腳(Enable/ShutdownPin)，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>

LED驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常暴露于極端的環(huán)境溫度，這類環(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(LeadFrame)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)FR4PCB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)憂的故障是輸出開路。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)憂是其中一個(gè)LED發(fā)生開路的情形。這是LED最常見(jiàn)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(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--升壓類型的驅(qū)動(dòng)器，在發(fā)生輸出開路時(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。