如何實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)LED供電電源設(shè)計 - 全文

　　導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn)，使同時專長于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)（機(jī)械工程）這三個領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前，在三個領(lǐng)域都富有經(jīng)驗(yàn)的工程師并不很多，而這通常意味著系統(tǒng)工程師或者整體產(chǎn)品工程師的背景要和這三大領(lǐng)域相關(guān)，同時他們還需盡可能與其他領(lǐng)域的工程師協(xié)作。系統(tǒng)工程師常常會把自己在原有領(lǐng)域養(yǎng)成的習(xí)慣或積累的經(jīng)驗(yàn)帶入設(shè)計工作中，這和一個主要研究數(shù)字系統(tǒng)的電子工程師轉(zhuǎn)去解決電源管理問題時所遇到的情況相似：他們可能依靠單純的仿真，不在試驗(yàn)臺上對電源做測試就直接在電路板上布線，因?yàn)樗麄儧]有認(rèn)識到：開關(guān)穩(wěn)壓器需要仔細(xì)檢查電路板布局；另外，如果沒有經(jīng)過試驗(yàn)臺測試，實(shí)際的工作情況很難與仿真一致。

　　在設(shè)計LED燈具的過程中，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位電子電力專家，或者電源設(shè)計被承包給一家工程公司時，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計中常見的習(xí)慣就會出現(xiàn)在LED驅(qū)動器設(shè)計中。一些習(xí)慣是很有用的，因?yàn)長ED驅(qū)動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。這兩類電路都工作在較寬的輸入電壓范圍和較大的輸出功率下，另外，這兩類電路都面對連接到交流電源、直流穩(wěn)壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來的挑戰(zhàn)。

　　電力電子工程師習(xí)慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度，但這對LED驅(qū)動器設(shè)計而言并不是很好的習(xí)慣。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)字負(fù)載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴(yán)格的控制，以防止出現(xiàn)較高的誤碼率。因此，數(shù)字電源軌的公差通常會控制在±1%以內(nèi)或比它們的標(biāo)稱值小，也可用其絕對數(shù)值表示，如 0.99V至1.01V。在將傳統(tǒng)電源的設(shè)計習(xí)慣引入LED驅(qū)動器設(shè)計領(lǐng)域時，通常帶來的問題是：為了實(shí)現(xiàn)對輸出電流公差的嚴(yán)格控制，將浪費(fèi)更多的電力并使用更昂貴的器件，或者二者兼而有之。

　　成本壓力

　　理想的電源是成本不高，效率能達(dá)到100%，并且不占用空間。電力電子工程師習(xí)慣了從客戶那里聽取意見，他們也會盡最大力量去滿足那些要求，力圖在最小的空間和預(yù)算范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。在進(jìn)行LED驅(qū)動器設(shè)計時也不例外，事實(shí)上它面對更大的預(yù)算壓力，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的照明技術(shù)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了商品化，其價格已經(jīng)非常低廉。所以，花好預(yù)算下的每一分錢都非常重要，這也是一些電力電子設(shè)計師工程師被老習(xí)慣“引入歧途”的地方。

　　要將LED電流的精確度控制到與數(shù)字負(fù)載的供電電壓的精度相同，則會既浪費(fèi)電，又浪費(fèi)成本。100mA到1A是當(dāng)前大多數(shù)產(chǎn)品的電流范圍，特別是目前 350mA（或者更確切地說，光電半導(dǎo)體結(jié)的電流密度為350mA/mm2）是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案?？刂芁ED驅(qū)動器的集成電路是硅基的，所以在1.25 V的范圍內(nèi)有一個典型的帶隙。要在1.25V處達(dá)到1%的容差，亦即需要±12.5mV的電壓范圍。這并不難實(shí)現(xiàn)，能達(dá)到這種容差或更好容差范圍的低價電壓參考電路或電源控制IC種類繁多，價格低廉。當(dāng)控制輸出電壓時，可在極低功率下使用高精度電阻來反饋輸出電壓（如圖1a所示）。為控制輸出電流，需要對反饋方式做出一些調(diào)整，如圖1b所示。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡單的手段。

　　圖1a：電壓反饋; 圖1b：電流反饋

　　深入研究之后，就會發(fā)現(xiàn)這種做法的一個主要缺點(diǎn)是：負(fù)載和反饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與LED串聯(lián)的一個電阻上，這意味著參考電壓或LED 電流越高，電阻消耗的功率越大。所以，第一代專用LED驅(qū)動集成電路的參考電壓要遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的產(chǎn)品，這類似于電池充電器。電壓更低意味著功耗更低，也意味著更小、更便宜、更低損耗的電流檢測電阻。在圖1b所示的簡單的低端反饋環(huán)境下，200mV是常規(guī)的電壓選擇。但是，要在200mV參考電壓下實(shí)現(xiàn)±1% 的容差，則需要一個價格很高的集成電路，此時相對于標(biāo)稱參考電壓的容差為±2mV。盡管這并不是不可能實(shí)現(xiàn)的，不過更高的精度需要更高的成本。±2mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測試和分檔技術(shù)，此時，附加成本應(yīng)花費(fèi)在更智能的LED驅(qū)動器上。新的費(fèi)用的價值是增加了一個反饋回路，借助該回路，可以利用光輸出（而非電流輸出）來控制如何驅(qū)動LED。

　　測量光輸出

　　就像數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計師在電源設(shè)計中遇到不確定問題時會采取仿真解決問題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構(gòu)師在進(jìn)行LED燈具設(shè)計時會想到高精度的輸出。 LED制造商已經(jīng)清楚的表明，光通量與前向電流成正比。利用相同的電流驅(qū)動所有LED，那么每個LED會產(chǎn)生相同的光通量。因此，電力電子工程師就會得出結(jié)論：高精確度的電流是必須的。這樣一來，他們就忘記了光輸出的流明和勒克斯值（而不是安培值）才是重點(diǎn)。測量電流是很容易的，而相對的，測量光則需要昂貴的大型設(shè)備，如圖2所示的積分球，而大部分電子工程師對積分球都不太了解。

　　圖2：光學(xué)積分球截面圖

　　另外，即使容差為±0.1%的電流源（其價格會相當(dāng)高）有巨大的市場價值，它對在實(shí)際光輸出中產(chǎn)生嚴(yán)格的容差值上沒有什么作用。通過觀察LED 光通量的分檔可以確定這一點(diǎn)。表1給出了世界三大頂級電力光電半導(dǎo)體制造商的高端冷白光LED在350mA和25？C條件下的光通量分檔結(jié)果。注意最后一列是各分檔的容差平均值，而不是所有光通量分檔范圍內(nèi)的容差。

　　表1 世界三大頂級電力光電半導(dǎo)體制造商的高端冷白光LED在350 mA和25？C下的光通量分檔結(jié)果。

　　計算光輸出精度

　　了解到來自單個通量分檔的LED光輸出會有±3%到±10%的容差之后，系統(tǒng)工程師可能會因此得出結(jié)論：驅(qū)動電流容差值必須是越嚴(yán)格越好。然而從統(tǒng)計學(xué)角度來看，該觀點(diǎn)并不正確。一個常見的但不正確的假設(shè)是：任何值的整體容差都等于最壞條件下各值的簡單累加。為LED供電的電流源的容差和LED 光通量的容差是互不相關(guān)的 - 它們在最初階段就已相互獨(dú)立。對于不相關(guān)的兩個因子X和Y，整體容差Z并不是X和Y的容差之和，而是應(yīng)該利用下述表達(dá)式進(jìn)行計算：

　　表2和圖3給出了整體容差和假設(shè)電流源容差的對比情況，此時假設(shè)LED光輸出在350mA的區(qū)域內(nèi)隨前向電流呈線性變化。

　　圖3：整體容差和假設(shè)電流源容差的對比情況。

　　根據(jù)方程（1）可以發(fā)現(xiàn)，最低容差因子的作用大于其他，而且實(shí)際的整體容差值要遠(yuǎn)優(yōu)于各個因子在最壞情況下的容差和，尤其是當(dāng)其中一個因子遠(yuǎn)好于其他因子時。由圖3可知，電流源容差的最合理目標(biāo)是將其控制在LED光輸出的容差范圍內(nèi)。請記住：出于成本考慮，許多燈具會使用來自不同分檔的LED。表3列出了相同LED所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值。

　　表3 相同LED所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值

　　調(diào)光控制

　　LED制造商和他們的分銷伙伴正努力地改進(jìn)產(chǎn)品的光通量容差，在合理的成本范圍內(nèi)提供更細(xì)的分檔。對于那些希望產(chǎn)品可使用5年或50，000個小時，并在使用期內(nèi)保持整體光輸出不變的設(shè)計師而言，即使想滿足最密集的通量分檔和設(shè)定0.1%的容差電流源也很難實(shí)現(xiàn)。因?yàn)闊崃亢碗S著時間延長而產(chǎn)生的性能衰減等兩個重要因素會降低LED的光通量，即使電流源容差和LED光通量容差都達(dá)到0.001%也無法解決該問題?？紤]到這些損耗，高質(zhì)量固態(tài)照明產(chǎn)品設(shè)計師必須找到具有額外反饋回路的電源，也即找到熱量和光源。為此需要進(jìn)行調(diào)光控制，那些可以對輸出電流進(jìn)行線性控制和PWM控制的集成電路便成為最佳選擇。

　　例如，美國國家半導(dǎo)體的LM3409和LM3424都是LED驅(qū)動器控制IC，它們是適用于半導(dǎo)體照明的第二代電流源。兩款產(chǎn)品均可通過可變電阻器或電壓源來控制平均的LED電流值，并且可為PMW調(diào)光信號提供專門的輸入信號。除了線性控制回路外，LM3409和LM3424的模擬調(diào)節(jié)功能也令系統(tǒng)設(shè)計師可以在權(quán)衡輸出電流精度及尺寸、成本和電流檢測電阻的功耗間做出自己的選擇。圖4所示的LM3409/09HV控制降壓電路，是功率LED驅(qū)動器中最常用的電路模式。圖5中的LM3424可以作為升壓穩(wěn)壓器LED驅(qū)動器，也可以作為降壓/ 升壓、SEPIC、反激式甚至是“懸浮”降壓電路。

　　圖4：LM3409/09HV降壓LED驅(qū)動器

　　圖5：LM3424升壓LED驅(qū)動器

　　需要光控制的應(yīng)用領(lǐng)域

　　路燈是一個很好的光源示例，因?yàn)樗袊?yán)格的法定標(biāo)準(zhǔn)限制。對于公路用路燈，歐盟國家規(guī)定了其最小和最大的光輸出及照明模式。對于符合此規(guī)定并提供五年或更長使用壽命的LED路燈來說，設(shè)計時必須考慮到熱量引起的即時光通量損失，以及更長時間下性能下降帶來的通量損失。

　　一種很自然的方法是使用光傳感器，比如構(gòu)成線性控制回路的光電二極管。在系統(tǒng)啟用的第一天，就應(yīng)該只使用整體可用驅(qū)動電流的一部分，這樣做是考慮到隨著時間推移，驅(qū)動電流將慢慢增至一個上限，籍此保證光輸出恒定?？梢詫⒐怆姸O管偏置，并轉(zhuǎn)換為一路脈寬調(diào)制信號，這將有助于在調(diào)光范圍內(nèi)維持更加恒定的相對色溫，其線性控制回路更加簡單，一般而言調(diào)光范圍也比較小。根據(jù)不同的時間、運(yùn)動傳感器或其他節(jié)省功耗的措施，對光輸出進(jìn)行控制時，PWM控制將更加有用。圖6給出了具有更長壽命、光輸出恒定的LED燈的假定原理框圖。

　　圖6：PWM（脈寬調(diào)制）用于日/夜控制，線性控制用于光輸出。

　　本文小結(jié)

　　輸出電流精度只是評價LED驅(qū)動器性能的一個方面，但是當(dāng)LED本身的光通量容差保持在遠(yuǎn)高于±1%的水平時，即使對電流源容差和數(shù)字處理器中電壓軌的容差要求一樣嚴(yán)格，也幾乎沒有任何意義，平均LED電流容差應(yīng)當(dāng)幾乎等于光通量容差。本文基于單個分檔的誤差探討了一種理想情況，并給出了一些實(shí)際的例子，這些例子使用兩個或更多分檔的LED，其容差也可更輕松地達(dá)到±5%、±10%或更高。在額外的控制回路中，應(yīng)該將成本開銷用于1%的電流控制，并可將電力用在更高的檢測電壓方面。有些LED燈會更強(qiáng)調(diào)簡單實(shí)用和低成本，此時即使采用線性調(diào)光也會顯得過于復(fù)雜和昂貴，但如果想要設(shè)計出發(fā)揮 LED全部性能的燈具，就需要使用線性控制或PWM方式或者二者協(xié)調(diào)使用，從而令產(chǎn)品性能和壽命達(dá)到最優(yōu)。