照明用LED驅(qū)動器需求和解決方案分析

作為固態(tài)光源的發(fā)光二極管(LED)的大量涌現(xiàn)，使白熾燈日益落寞。在過去幾年中，LED技術(shù)已經(jīng)有了極大進(jìn)步，在散熱、封裝和工藝技術(shù)方面的進(jìn)步使得LED有了更高的亮度、更高的效率、更長的壽命和更低的成本。

然而，在能量轉(zhuǎn)換效率、熱量管理和生產(chǎn)成本方面，LED仍然有進(jìn)一步提升的空間。例如，LED效率就已經(jīng)獲得了極大的提高。LED的眾多改進(jìn)源自現(xiàn)在能在芯片內(nèi)更好地產(chǎn)生光，以及有更好的方法從芯片及其封裝中獲得光源。同樣地，20mA白光LED的售價已經(jīng)大幅降低，這種LED剛推出時，批購報價為1美元。而目前有可能以不到30美分的批購價買到20mA的白光LED。

LED照明應(yīng)用需求分析

當(dāng)然，所有這些進(jìn)步不僅促進(jìn)了LED在不同應(yīng)用中作為照明光源的使用，同時也刺激了對LED驅(qū)動器IC的需求。要了解設(shè)計和制造LED驅(qū)動器IC面臨哪些障礙，就必須了解白光LED要發(fā)光需要哪些條件。白光LED必須用一個恒定電流源驅(qū)動，這樣白色光點(diǎn)才不會變化(也就是亮度必須一致)。另外，既然白光LED是一個二極管，那么就必須克服它內(nèi)部的正向壓降(V_f)。V_f隨著白光LED電流值的不同而不同，也會隨著溫度的變化而變化。一般情況下，在整個工作溫度范圍內(nèi)，20mA白光LED的V_f在2.5V至3.9V的范圍內(nèi)變化。大多數(shù)應(yīng)用都使用多個白光LED，而且還可能將這些LED配置成并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)混合形式。這意味著白光LED驅(qū)動器IC必須能夠?yàn)樘囟ㄅ渲玫亩鄠€LED提供足夠的電流和電壓，而且這種IC所采用的電壓轉(zhuǎn)換拓?fù)浔仨毻瑫r滿足輸入電壓范圍和輸出電壓與電流的要求。

LED的常見應(yīng)用包括汽車和飛機(jī)儀表盤的顯示和指示、交通信號燈、手機(jī)、平板顯示器背光源、礦工燈、建筑和露天大型體育場照明等，而目前和未來幾年內(nèi)，LED市場增長的最大驅(qū)動力來自平板顯示器的背光照明需求。這些顯示器采用LCD屏，用于電視機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、便攜式媒體播放器、數(shù)字廣告牌和計算機(jī)監(jiān)視器。不過，采用LED面臨熱量管理的技術(shù)挑戰(zhàn)。盡管LED不像其它光源那樣輻射那么多熱量，但是根據(jù)輸出功率的不同，一些LED也許需要合適的散熱器，這樣光輸出才不會減少，壽命也不會縮短。例如，光輸出為25lm的高亮度LED一般所消耗的功率超過1W。這意味著白光LED驅(qū)動器IC必須以高效率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣它才能不成為熱問題的主要成因。另外，在很多情況下都存在空間受限問題，LED驅(qū)動解決方案必須占板面積小，而且外形尺寸小。

以手機(jī)為例，今天大多數(shù)手機(jī)都有內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)，能夠拍攝高分辨率照片和視頻。相機(jī)性能的提高也導(dǎo)致對大功率白色光源的需求，相機(jī)在室內(nèi)或在昏暗環(huán)境中需要使用這樣的光源，白光LED已經(jīng)成為相機(jī)手機(jī)的主要光源。因?yàn)榘坠釲ED擁有多種現(xiàn)代手機(jī)設(shè)計師所希望的特點(diǎn)：尺寸小、高光輸出，能夠提供“閃光”和對“視頻”對象連續(xù)照明。目前已經(jīng)專門為集成式相機(jī)照明開發(fā)了高輸出功率LED。

便攜式產(chǎn)品照明解決方案

盡管用大功率LED產(chǎn)生可見光很簡單，但是如果不對已有設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，要形成高性能電源和電流控制解決方案卻非常困難的。凌力爾特公司的LTC3454是一種新產(chǎn)品，專門用于在大電流相機(jī)照明應(yīng)用中提高電源轉(zhuǎn)換效率和準(zhǔn)確度，并優(yōu)化對LED電流的控制。

圖：基于LTC3783的大功率PWM LED驅(qū)動電路

LTC3454是一種同步降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，為用單節(jié)鋰離子電池輸入以高達(dá)1A的電流驅(qū)動單個大功率LED而優(yōu)化。該器件視V_IN與LED正向電壓之間關(guān)系的不同，自動在同步降壓、同步升壓和4開關(guān)降壓-升壓模式之間轉(zhuǎn)換。在整個可用鋰離子電池電壓范圍內(nèi)(2.7~4.2V)可實(shí)現(xiàn)高于90%的P_LED/P_IN效率。

幾乎所有由電池供電的便攜式產(chǎn)品都采用彩色有源矩陣LCD來顯示用戶所需的信息和數(shù)據(jù)。不過，制造商卻面臨著一種挑戰(zhàn)，即需要確保用戶在任何環(huán)境中都能從這樣的顯示器上看到信息。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，制造商必須提供背光照明強(qiáng)度合適的彩色LCD。這種背光照明一般是由白光LED提供的。因而，產(chǎn)生緊湊、高效率和低噪聲的LED供電解決方案需求。

凌力爾特公司目前已經(jīng)提供了大量白光LED驅(qū)動器IC解決方案。這些解決方案或者使用低噪聲無電感器DC/DC轉(zhuǎn)換器(更為常見的叫法是電荷泵)，或者使用DC/DC轉(zhuǎn)換器，這兩種轉(zhuǎn)換器的主要差別是是否需要電感器(磁性元件)。無電感器DC/DC轉(zhuǎn)換器非常適用于空間受限應(yīng)用，在這種應(yīng)用中，必須提供低至中等大小的負(fù)載電流。此外，這種轉(zhuǎn)換器采用小型封裝，需要非常少的外部組件，通常僅需要3個陶瓷電容器。大多數(shù)升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器都進(jìn)行了專門設(shè)計，以便為白光LED背光照明提供高效率和恒電流驅(qū)動。

LTC3208是一種無電感器、大電流、軟件可配置的多顯示屏LED控制器，可以驅(qū)動17個LED。該器件含有一個1A的高效率、低噪聲電荷泵，為主、副、RGB、相機(jī)和輔助LED顯示屏供電。LTC3208具有高達(dá)95%的效率和I²C串行接口，給用戶帶來的益處有更長的電池壽命、簡單的2線微控制器接口等。LT3486是一種雙通道、1.3A白光LED升壓型轉(zhuǎn)換器，具有寬調(diào)光范圍，專門為用單節(jié)鋰離子電池以恒定電流驅(qū)動多達(dá)16個LED(每個轉(zhuǎn)換器驅(qū)動8個串聯(lián)的LED)而設(shè)計。

高亮度LED驅(qū)動解決方案

高端電視機(jī)、工業(yè)照明應(yīng)用、汽車導(dǎo)航顯示屏和投影機(jī)的LCD TFT背光照明可能采用高亮度(HB)和超亮LED。這類LED常見的應(yīng)用領(lǐng)域是儀表板背光照明、內(nèi)部照明，以及很多轎車和卡車的剎車燈。豪華汽車制造商越來越多地利用最新的固態(tài)LED照明技術(shù)來提高未來車型的美感，用這些更輕、更小和更耐用的器件實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部照明。很明顯，與用白熾燈照明相比，LED有很多優(yōu)點(diǎn)，例如LED有望降低長期成本并具有較長的壽命。

不過，以大電流驅(qū)動LED要求DC/DC轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電流，以確保一致的光強(qiáng)和顏色一致性并保護(hù)LED。此外，還有一個重大挑戰(zhàn)，即用可能低于、等于或高于負(fù)載電壓的電池電壓為1個或幾個LED串供電。另一個引起關(guān)注的問題是以大調(diào)光比高效率地對這些LED調(diào)光，與此同時還要在低亮度和高亮度時保持這些LED的顏色特性不變。最后，一個至關(guān)重要的要求是，DC/DC驅(qū)動器要高效率工作，尤其是在驅(qū)動HB LED時更是這樣，因?yàn)樗形崔D(zhuǎn)化成光的功率都轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉了。

用汽車電池驅(qū)動LED時，要求DC/DC轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流，以確保一致的光強(qiáng)和顏色一致性，并保護(hù)LED。此外，視LED的用途不同，DC/DC穩(wěn)壓器還應(yīng)該為特定電源要求而優(yōu)化。這里的重大挑戰(zhàn)也是用可能低于、等于或高于負(fù)載電壓的電池電壓為1個或幾個LED串供電。需要關(guān)注的問題也是以大調(diào)光比高效率地對LED調(diào)光，與此同時在低亮度和高亮度時保持這些LED的顏色特性不變。DC/DC驅(qū)動器要以高效率工作也是至關(guān)重要的要求，尤其是驅(qū)動HB LED時，原因與上述相同，未轉(zhuǎn)化成光的功率都轉(zhuǎn)化成熱量浪費(fèi)掉了。

LTC3783是一種電流模式、多種拓?fù)滢D(zhuǎn)換器，具有恒定電流PWM調(diào)光能力，適用于驅(qū)動大功率LED串和LED組。該器件采用專有技術(shù)，具有極快的PWM負(fù)載切換速度，而且無瞬態(tài)欠壓或過壓問題。LTC3783能以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)3,000:1的調(diào)光比(在100Hz時)，因?yàn)門rue Color PWM調(diào)光能夠保證白光和RGB LED的顏色一致性。使用模擬控制方式時，LTC3783還可實(shí)現(xiàn)100:1的附加調(diào)光比。這種調(diào)光能力很重要，因?yàn)槿搜蹖Νh(huán)境光線的微小變化極度敏感。這個通用控制器可用作升壓、降壓、降壓-升壓、SEPIC或反激式轉(zhuǎn)換器，以及用作恒流/恒壓調(diào)節(jié)器。無R_SENSE工作模式利用MOSFET的接通電阻，無需電流檢測電阻，提高了效率。LTC3873的典型應(yīng)用如下圖所示。

LT3475是一個雙通道36V、2MHz的降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，用作恒流LED驅(qū)動器，每通道提供高達(dá)1.5A的LED電流。采用內(nèi)部檢測電阻和調(diào)光控制使該器件非常適用于驅(qū)動大電流LED。LT3475可在50mA至1.5A的寬電流范圍內(nèi)保持高輸出電流準(zhǔn)確度，同時獨(dú)特的True Color PWM電路可實(shí)現(xiàn)3,000:1的調(diào)光范圍。

LT3475具有4V至36V的寬輸入電壓范圍，可調(diào)節(jié)從4節(jié)堿性/鎳鎘/鎳氫金屬電池和5V邏輯電壓軌到未穩(wěn)壓的墻上變壓器和汽車電源系統(tǒng)的多種電源。其開關(guān)頻率可在200kHz至2MHz的范圍內(nèi)設(shè)置，因此允許使用纖巧的電感器和陶瓷電容器，同時還可避開一些關(guān)鍵頻帶(如AM廣播頻帶)。LT3475可為驅(qū)動兩個或4個大電流LED組成非常緊湊的解決方案。

Tony Armstrong

產(chǎn)品行銷經(jīng)理

電源產(chǎn)品部

tarmstrong@linear.com

凌力爾特公司