LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

發(fā)光二極管 (HB- led) 在每封裝流明輸出和光效 (efficacy ,單位為流明 / 瓦或 lm/W) 方面的性能快速提升。商用的 1 W LED 已提供有冷色溫 LED( 色溫 5000K) 的每封裝流明輸出超過 100 流明,光效達(dá) 100 lm/W ,而相同功率等級(jí)的暖色溫白光 LED( 色溫 3000 至 3500K) 也超過了 70 到 80 流明。與兩年前相比,這些性能等級(jí)提高了 30-40% 。有了這樣的性能, LED 如今正逐步發(fā)展成為眾多高性能應(yīng)用中傳統(tǒng)白熾燈、鹵素?zé)艉蜔晒鉄舻那袑?shí)可行的替代光源。因此,固態(tài) 照明 (SSL) 相當(dāng)多地滲入到了汽車、商業(yè)和景觀照明,以及城市街道照明之中。 LED 還能用于新應(yīng)用,如基于實(shí)際太陽能板的遠(yuǎn)程照明,因?yàn)檫@很 容易藉可充電 電池產(chǎn)生 LED 所要求的直流驅(qū)動(dòng)電流。此外,恰當(dāng)設(shè)計(jì)的話, LED 燈具的工作壽命可達(dá) 3 萬至 5 萬小時(shí),因而顯著降低替代燈泡方面常見的維護(hù)成本。

　　然而,就控制及驅(qū)動(dòng)這些 LED 而言,在使用的方面存在不少矛盾之處。例如,許多照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用或修改的已有電源方案并沒有充分顧及 HB-LED 的獨(dú)特驅(qū)動(dòng)要求。如果設(shè)計(jì)人員要優(yōu)化 LED 照明所能提供的優(yōu)勢(shì),必須仔細(xì)考慮驅(qū)動(dòng)及控制這些器件所使用的技術(shù),從而提供高能效及高性價(jià)比的方案。

　　HB-LED 照明系統(tǒng)的主要組件包括 LED 發(fā)射器、電源轉(zhuǎn)換、控制及驅(qū)動(dòng)、熱管理,以及眾多應(yīng)用中會(huì)涉及到的光學(xué)組件。如果不充分考慮所有這些組件,相應(yīng)的 LED 照明系統(tǒng)就不太可能得到優(yōu)化。 LED 與大多數(shù)燈泡不一樣,是帶有指向性的光源,故在諸多應(yīng)用中,使用鏡頭、反射鏡或擴(kuò)散板來提供所需的發(fā)光圖案以及燈具的照明外觀至關(guān)重要。同樣,如果不恰當(dāng)處理熱管理問題,照明系統(tǒng)的工作壽命也會(huì)大幅縮短,從而沖抵使用長壽命 LED 的主要優(yōu)勢(shì)。電源和驅(qū)動(dòng)方面對(duì)照明系統(tǒng)的長期工作同等重要。 HB-LED 照明設(shè)計(jì)中的供電電壓源取決于所投入應(yīng)用的類型。就建筑物及室內(nèi)照明而言,電壓源通常是交流主電源。戶外照明可能采用寬泛穩(wěn)壓的電源,如低壓交流電源、帶備用電池的太陽能板或交流主電源。在汽車應(yīng)用中,電源通常是鉛酸電池 (12 Vdc ) 。

　　如果沒有某種形式的電源轉(zhuǎn)換,應(yīng)當(dāng)避免使用電壓源來驅(qū)動(dòng) LED 發(fā)射器,這是由于正常的電壓波動(dòng)會(huì)造成 LED 電流大幅變化,因?yàn)?LED 的電壓 / 電流 (V/I) 曲線非常陡峭;在不同驅(qū)動(dòng)電流、溫度和生產(chǎn) ( 不同批次 ) 差異條件下, LED 正向電壓變化范圍較寬。此外,出于安全因素,大多數(shù)交流主電源應(yīng)用都有基于電子開關(guān)電源或磁變壓器的隔離電源轉(zhuǎn)換,將高線路電壓轉(zhuǎn)換為適合驅(qū)動(dòng) LED 的安全低電壓。

　　LED 驅(qū)動(dòng)電路的其中一項(xiàng)主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流,而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)電路必須符合能效、電容容限、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。與此同時(shí),所選的方法必須易用及足夠強(qiáng)固,從而適應(yīng)特定應(yīng)用的極端環(huán)境。有幾種不同的穩(wěn)流方法。

　　采用固定電壓電源供電的電阻是最簡單、最低成本的穩(wěn)流方法。實(shí)際上,它們并不穩(wěn)流,只是在 LED 正向電壓變化及源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起亮度變異時(shí),簡單地限制最大電流。對(duì)于低電流指示器應(yīng)用而言,這可能可以接受,但隨著電流增大及串聯(lián)的 LED 數(shù)量增加,就變得有問題了。要克服這個(gè)問題,需要費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)地對(duì) LED 進(jìn)行編碼及選擇恰當(dāng)?shù)碾娮鑱砥ヅ?LED 串正向電壓。即使采取這些步驟,仍然會(huì)有由輸入電壓變化導(dǎo)致的亮度變化問題。

　　另一種穩(wěn)流方法選擇是恒流線性穩(wěn)壓器 (CCR) 。它們易于設(shè)計(jì),能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性,如高溫時(shí)電流反走及調(diào)光控制。 CCR 可以涵蓋簡單的雙端穩(wěn)壓器到靈活的可調(diào)節(jié)電流設(shè)定點(diǎn)線性穩(wěn)壓器集成電路。 CCR 的主要局限是輸入電壓源必須永遠(yuǎn)高于輸出正向電壓以恰當(dāng)工作,而且它們可能能效較低,熱耗散較高。后一點(diǎn) ( 即熱耗散 ) 是 LED 驅(qū)動(dòng)電流、輸入電源變化及正向電壓變化的直接函數(shù)。

　　因此,在設(shè)計(jì)及選擇過程中,封裝及總體散熱能力是關(guān)鍵考慮因素。通常線性驅(qū)動(dòng)器能并行配置以擴(kuò)散熱耗散,或者必須裝配在有散熱能力的封裝內(nèi)。安森美半導(dǎo)體的 NSI45030 是一款 CCR 示例,這器件穩(wěn)流電平為 30 mA ,是將 CAT4201 采用緊湊型雙端 SOD123 封裝而成的器件; CAT4201 能支持高達(dá) 1 A 電流,具有調(diào)光控制接口,采用 D2PAK 封裝,能夠耗散大量功率。

　　圖 1 ：并行配置 30mA NSI45030 恒流穩(wěn)壓器以提高電流能力示例

　　出于能效因素及靈活性,開關(guān)穩(wěn)壓器被廣泛使用。這種方法成本較高,技術(shù)也較復(fù)雜,但能提供顯著優(yōu)勢(shì),如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系,且根據(jù)輸入 / 輸出條件,能效能夠高于 90% 。與線性穩(wěn)壓器不同,它們對(duì)電磁干擾 (EMI) 很敏感,給設(shè)計(jì)人員帶來另一項(xiàng)需要注意的設(shè)計(jì)約束。對(duì)于中到大功率應(yīng)用或涉及寬輸入電壓范圍的應(yīng)用而言,開關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇;且許多應(yīng)用中優(yōu)化了開關(guān)穩(wěn)壓器型 LED 驅(qū)動(dòng)器,從而應(yīng)用 LED 調(diào)光控制。

　　由于 LED 發(fā)射的光與通過 LED 的平均電流成正比, CCR 同樣也提供調(diào)節(jié)光輸出的能力。通過模擬或數(shù)字脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù)提供調(diào)光。模擬方法注入模擬信號(hào)至反饋電壓,從而使平均輸出電流減小。數(shù)字方法使用輸入 PWM 信號(hào)來抑制穩(wěn)壓器的開關(guān),并降低平均輸出電流。典型調(diào)光頻率介于 200 Hz 與 1,000 Hz 之間,因?yàn)槿搜鄄荒懿煊X頻率高于 100 Hz 時(shí)的細(xì)微變化。

　　三種基本的驅(qū)動(dòng)器 / 穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別是降壓、升壓、降壓 - 升壓 ( 又稱為單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換,簡稱 SEPIC) 。在降壓電路中,最低輸入電壓 (Vin) 在所有工作條件下永遠(yuǎn)高于 LED 串的最大電壓,而在最大輸入電壓始終低于 LED 串最小電壓時(shí)使用升壓電路。由于恒流驅(qū)動(dòng)器的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬性,它要求額外的電路,用于 LED 開路及輸出短路保護(hù)。圖 1 顯示了典型的 LED 降壓配置。注意跟傳統(tǒng)降壓架構(gòu)不同,這配置中開關(guān)接地參考, LED 串是浮接 (floating) 的。這拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于專利的臨界導(dǎo)電模式 ( CrM ) 降壓架構(gòu),即使沒有直接感測(cè)到流過 LED 串的電流,也會(huì)對(duì) LED 平均電流進(jìn)行穩(wěn)流。

　　圖 2 ： CAT4201 高集成度 350 mA LED 降壓驅(qū)動(dòng)器,可以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 7 顆 LED

　　SEPIC 技術(shù)用于輸入電壓與輸出電壓交疊的應(yīng)用。耦合電感領(lǐng)域的進(jìn)步使這些方案更易于應(yīng)用,且與降壓或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,不會(huì)滋生尺寸方面的不利影響。實(shí)際上,理解透徹的話,與更常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比, SEPIC 可以提供眾多優(yōu)勢(shì),提供更高的能效等級(jí)、更小的外形因數(shù)及更低的成本。輸入和輸出電壓交疊時(shí),除了 SEPIC ,也可使用一種非隔離型降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但在這種情況下, LED 不再連接至地及直接感測(cè) LED 平均電流。下圖是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)示例,在這種結(jié)構(gòu)中, LED 負(fù)載可以是 3 顆或 4 顆串聯(lián)的 1 W LED 。輸入電壓是 12 Vac ,這種電壓常用于 MR16 及低壓景觀照明等軌道燈。

　　圖 3 ：安森美半導(dǎo)體 Greenpoint 3-5W MR16 參考設(shè)計(jì)簡化框圖

　　針對(duì)給定應(yīng)用去評(píng)估最恰當(dāng)?shù)?LED 驅(qū)動(dòng)器方案時(shí),有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇,但也須考慮不同的取舍。雖然大多數(shù)應(yīng)用采用可以產(chǎn)生 12 V 、 24 V 或 36 V 電壓的離線 AC-DC 電源供電,但采用太陽能供電 / 電池組、汽車或低壓交流等寬泛穩(wěn)壓電源供電的應(yīng)用也非常多。這些寬泛穩(wěn)壓的電源帶來更多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),在輸入電壓范圍與輸出電壓范圍交疊時(shí)要求更多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。理想情況下,如果設(shè)計(jì)人員能夠靈活地選擇 LED 配置,最好選擇輸入電壓始終高于最壞情況正向電壓的配置,從而簡化設(shè)計(jì)要求。由于高亮度 LED 技術(shù)持續(xù)演進(jìn)及改良, LED 照明轉(zhuǎn)向?qū)嵱玫膽?yīng)用數(shù)量應(yīng)該會(huì)大幅增加,而且由于它們的低壓特性,將涌現(xiàn)不需要離線交流電源的新應(yīng)用。