如何更好地驅(qū)動LED

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。LED技術(shù)推動照明領(lǐng)域的一場革命。因結(jié)合小型、低功耗、高可靠性和低成本，使得照明可以在不可能使用白熾燈或熒光燈技術(shù)的地方實(shí)現(xiàn)。因此，LED照明在辦公室、家庭甚至在汽車上激增。

目前固態(tài)照明方案的主要缺點(diǎn)不是LED本身，而是提供照明能量的電源。這些開關(guān)電源(Switched-Mode Power Supplies;SMPS)的預(yù)期壽命比LED短得多，主要是因?yàn)樗鼈兯拇判越M件(magnetic components)和電解電容(electrolytic capacitors)的使用壽命。此外，含有風(fēng)扇等主動(active)冷卻設(shè)備的開關(guān)電源尤其易受到在初期故障影響，而另一個(gè)缺點(diǎn)是SMPS的體積龐大，是電磁干擾(Electro-Magnetic Interference;EMI)的主要原因?？紤]到尺寸和有限的照明安裝空間，SMPS不太可能與LED安裝在相同的PCB上，因此需要互連和引線，這是另一個(gè)潛在的故障原因。

然而，電力技術(shù)和拓?fù)涞淖钚逻M(jìn)展包含交流直接驅(qū)動(Direct AC Drive;DACD)電源方案的出現(xiàn)。這種新方法完全無需傳統(tǒng)的SMPS，在成本、體積、使用壽命及可靠性方面提供多種優(yōu)勢，然而，并不是所有的DACD方案都相同。

DACD拓?fù)?/p>

所有DACD方案的共同之處是輸入橋式整流器(bridge rectifier)，使用經(jīng)典的4個(gè)二極管配置，將50/60Hz輸入交流波形(AC waveform)，校正為100/120Hz半正弦波(half-sine wave)。峰值振幅(peak amplitude)從110V交流輸入的155V左右變化到230V交流輸入的325V，但原理保持不變。

用于LED驅(qū)動的DACD拓?fù)渫ǔ７譃閮煞N配置，每一種都各有優(yōu)缺點(diǎn)(圖1)。

圖1 典型的DACD拓?fù)浼捌渲饕奶攸c(diǎn)。

這兩種方法都支持采用單板(single board)方案，而不是SMPS方案所需的雙板方案。分流型(shunt type)DACD采用單片IC，降低物料清單(Bill of Material;BOM)成本，并且還具有可擴(kuò)充的優(yōu)點(diǎn)，但散熱性能相對較差。相比之下，旁路類型(bypass type)傾向于使用多個(gè)IC，因而導(dǎo)致更高的BOM成本，這種方法更適合需要許多LED燈串的應(yīng)用。與分流法相比，雖然擴(kuò)展性有限，但電氣性能(electrical performance)更好，總諧波失真率(Total Harmonic Distortion;THD)通常小于10%，而分流法為30%左右。

雖然與傳統(tǒng)的開關(guān)電源法相比，DACD法有顯著的進(jìn)步，但并不是驅(qū)動現(xiàn)代LED應(yīng)用的理想方案。目前市場上仍有許多IC的DACD方案，但這些方案在線路電壓調(diào)整(line regulation)、散熱性能(thermal performance)、突波電阻(surge resistance)、調(diào)光能力和成本方面都能改進(jìn)。圖2顯示DACD方案的基本工作模式。當(dāng)交流線路電壓通過半正弦時(shí)，IC內(nèi)的開關(guān)指示電流(ILEDn)照亮每個(gè)LED。但這種線性開關(guān)法有一個(gè)主要的缺點(diǎn)，即高THD。

圖2 基本工作波形和電路圖。

最新的好方法

最新的DACD方案之一是安森美半導(dǎo)體的NCL30170。基于分流拓?fù)?，它提供前述方法的所有?yōu)點(diǎn)，包含：是單個(gè)IC方案，具有較低的BOM成本及易于擴(kuò)展功率。此種新方案的一個(gè)獨(dú)特性是能夠驅(qū)動多個(gè)外部MOSFET開關(guān)，支持多個(gè)LED燈串連接，功率能從10W擴(kuò)展到200W，連接的LED燈串總數(shù)和外部開關(guān)僅受最高功率水平的限制。

圖3 NCL30170是單輸出、多串、分流DACD方案。

在大多數(shù)應(yīng)用中，盡管電源電壓波動，但LED亮度保持不變是很重要的。通常，DACD驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)±10%的穩(wěn)壓，而新組件可達(dá)到±1%，這是非常顯著的提升，因而確保連接LED的持續(xù)光輸出。新組件用一種特有的方法來調(diào)節(jié)電流，而不是用于傳統(tǒng)DACD方案的線性方法。電壓觸發(fā)點(diǎn)保持不變，但以此種方式調(diào)節(jié)電流使其不再是一個(gè)階梯形狀，因而產(chǎn)生平滑的正弦波電流(sinusoidal current)(圖4右)，導(dǎo)致低于10%的極佳THD水平。

圖4 專有的電流平滑/整形提供平滑的正弦波形。

除了極佳的THD，新CACD方案還提供較佳的功率因子校正(Power Factor Correction;PFC)性能，超過0.98。

有效調(diào)光的重要性

在許多應(yīng)用中，能進(jìn)行LED調(diào)光很重要，能透過脈沖寬度調(diào)變(Pulse Width Modulation;PWM)技術(shù)(通常稱為切相)或模擬控制來實(shí)現(xiàn)。PWM提供大范圍的調(diào)光能力，但亦有明顯的缺點(diǎn)，包括閃爍，這已被證實(shí)會造成處于這種視線環(huán)境的人頭痛，高電頻的PWM調(diào)光也會導(dǎo)致在室內(nèi)使用時(shí)產(chǎn)生不受歡迎的聲頻噪聲(audible noise)。

雖然許多DACD方案能調(diào)低到10%，新方案能夠提供5%的模擬調(diào)光，進(jìn)而滿足具有挑戰(zhàn)性的現(xiàn)代應(yīng)用需求。該設(shè)備在整個(gè)亮度范圍內(nèi)保持穩(wěn)壓，進(jìn)而確保即使在低功率下，從LED發(fā)出的光仍然保持不變。對于使用TRIAC的切相調(diào)光器，新CACD方案的PWM性能確保照明方案非常適用于改裝應(yīng)用。

總結(jié)

LED照明在目前照明方案中占很大比重。由于現(xiàn)代應(yīng)用的低功耗、低成本和小尺寸的要求，將使這比例增長，用更加靈活和通用的LED照明汰換舊的白熾燈裝置亦將是未來成長的重要推力。直到最近，SMPS一直被用于為LED裝置供電，但存在耐用性和使用壽命的問題，而且體積龐大，使得在受限空間安裝LED方案變得復(fù)雜與受限。近期，DACD已成為一種為LED燈串供電的可行技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)解決SMPS的許多缺點(diǎn)，特別是耐用性和使用壽命、大小和成本，且未來將大幅促進(jìn)更多的LED照明裝置。

現(xiàn)在，業(yè)者開發(fā)的新CACD組件有助于交流直接技術(shù)提供應(yīng)用所需的性能、靈活性和耐用性，應(yīng)用于許多終端市場領(lǐng)域。以上就是LED技術(shù)的相關(guān)知識，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會由很大的提升，為我們帶來更大便利。