大功率 LED 驅(qū)動器找到了專門市場

背景

大功率 LED 的光輸出已經(jīng)達到了 100 流明/W 這一關(guān)鍵和具有里程碑意義的數(shù)值，而且有些制造商聲稱，在實驗室中已經(jīng)達到了 120 流明/W。這意味著，就能量效率而言，LED 現(xiàn)在已經(jīng)超過了 CFL (80 流明/W)。不過，據(jù)進一步預(yù)測，到 2012 年，LED 將達到 150 流明/W 的光輸出。此外，當前所有關(guān)注點都集中在“綠色”上，而 LED 不含有任何有害材料，與燈管中含有有毒水銀蒸氣的 CFL 不同，這是 LED 的又一大優(yōu)勢。

LED 照明的成本一直在非?？焖俚叵陆?。單個白光二極管 (幾個這樣的二極管組成一個 LED 燈，而且占 LED 燈成本的大部分) 的價格幾年前是 5 美元左右，在過去一年中已經(jīng)下降到不足 1 美元。很多 LED 行業(yè)的分析師預(yù)測，在未來一年內(nèi)，LED 燈取代白熾燈所需費用將達到消費者可接受的水平。有些 LED 制造商聲稱，已經(jīng)設(shè)計出了能為 LED 燈供電的發(fā)光芯片，且能使 LED 燈產(chǎn)生可與美國家庭中常見的 75W 白熾燈相媲美的光輸出。為了能達到這樣的光輸出量，這種 LED 芯片通常需要大約 12W 功率。

LED 驅(qū)動器 IC 今天必須具有的一個關(guān)鍵性能特色是能對 LED 充分調(diào)光。既然 LED 由恒定電流驅(qū)動，而且 DC 電流值與 LED 亮度成正比，那么要通過控制 LED 電流改變 LED 亮度，就有兩種調(diào)光方法。第一種方法是模擬調(diào)光，在這種方法中，通過降低恒定 LED 電流值，成比例地降低 LED DC 電流值。降低 LED 電流值可能引起 LED 色彩改變，或?qū)е聦?LED 電流的控制不準確。第二種方法是數(shù)字或脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 調(diào)光。PWM 調(diào)光以等于或高于 100Hz 的頻率在 LED 通斷之間切換，以這樣的頻率變化，人眼察覺不到。PWM 調(diào)光的占空比與 LED 亮度成正比，而接通時 LED 電流保持同樣的值 (如 LED 驅(qū)動器 IC 設(shè)定的那樣)，從而在高調(diào)光比時保持了恒定 LED 色彩。在某些應(yīng)用中，這種 PWM 調(diào)光方法可實現(xiàn)高達 10,000:1 的調(diào)光比。

尤其是在驅(qū)動高亮度 (HB) LED 的情況下，LED 驅(qū)動器 IC 必須能在一種既滿足輸入電壓范圍要求、又滿足所需輸出電壓和電流要求的轉(zhuǎn)換拓撲中，為很多不同類型的LED 配置提供充足的電流和電壓。因此，理想情況下，HB LED 驅(qū)動器 IC 應(yīng)該具有以下特點：

Ø 寬輸入電壓范圍：高達 100V

Ø 寬輸出電壓范圍：高達 100V

Ø 高效率轉(zhuǎn)換：高達 95%

Ø 嚴格調(diào)節(jié)的 LED 電流匹配：在整個溫度范圍內(nèi)小于 2%

Ø 低噪聲、恒定頻率工作：高達 2.5MHz

Ø 獨立的電流和調(diào)光控制；

Ø 寬調(diào)光范圍比：高達 10,000:1；

Ø 包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型和 SEPIC 在內(nèi)的多種轉(zhuǎn)換拓撲；

Ø 很多保護功能，例如為保護開路 LED 串、LED 引腳至 VOUT 短路、以及準確的欠壓閉鎖門

Ø 具最少外部組件數(shù)的小型緊湊解決方案占板面積

HB LED 舉例

毫無疑問，大部分汽車前燈仍然是白熾燈。不過未來，這種以白熾燈為主導(dǎo)的態(tài)勢將面臨來自高強度放電 (HID) 燈和 HB LED 前燈的壓力。HID 燈包括所有用在普通照明應(yīng)用中的高強度放電燈，如高壓水銀蒸氣燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈和金屬鹵化物燈。普通照明源足夠亮，可在室內(nèi)、建筑物或外部空間中為工作或生活環(huán)境提供照明。這包括住宅照明、商業(yè)和工業(yè)照明、路燈和汽車前燈。HID 氙燈在 90 年代后期首次用作汽車前燈。不過，這種燈的生產(chǎn)和制造非常昂貴，因此它們的使用僅限于高端汽車。展望未來，由于最近推出的 HB LED，此類 HID 氙燈的使用將迅速減少。因此，HB LED 前燈在未來 10 年將有最高的增長率。

可以用 18 個 LED 串聯(lián)組成的陣列構(gòu)成一個 25W 白光 LED 前燈，流經(jīng)這些 LED 的 350mA 電流產(chǎn)生必要的光輸出。不過，一個主要的障礙是，如何高效率和簡單地驅(qū)動這種配置。一種可能的解決方案是，運用凌力爾特公司最近推出的 LT3956 單片 LED 驅(qū)動器。LT3956 是一款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，用來作為恒定電流和恒定電壓穩(wěn)壓器工作。它非常適用于驅(qū)動大電流、高亮度 LED，參見圖 1。

LT3956 具有一個在 3.3A 時額定值為 84V 的內(nèi)部低端 N 溝道功率 MOSFET，并由一個內(nèi)部穩(wěn)定的 7.15V 電源驅(qū)動。固定頻率、電流模式架構(gòu)在寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定工作。一個以地為基準的電壓反饋 (FB) 引腳用作幾種 LED 保護功能的輸入，而且還使該轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定頻率，以優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

LT3956 在 LED 串的高端檢測輸出電流。就驅(qū)動 LED 而言，高端檢測是最靈活的方法，允許升壓、降壓模式或降壓-升壓模式配置。PWM 輸入提供高達 3000:1 的 LED 調(diào)光比，且 CTRL 輸入提供額外的模擬調(diào)光功能。

然而，還有其他一些最終市場應(yīng)用，它們對大功率 HB LED 驅(qū)動器有自己獨特的需求，在這類應(yīng)用中，LED 電流必須高于 10A。這些應(yīng)用包括 DLP 投影機、激光驅(qū)動器和建筑照明。不過，提供高于 10A 的電流可能引起大量設(shè)計問題，這些問題絕不僅限于最終產(chǎn)品本身的熱量管理方面！凌力爾特公司為此開發(fā)了一種獨特的 LED 驅(qū)動器，以專門應(yīng)對這類應(yīng)用中的設(shè)計需求。

LT3743 是一款同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，用來提供恒定電流，以驅(qū)動大電流 LED。它可以提供高達 20A 的連續(xù) LED 電流，或高達 40A 的脈沖 LED 電流。LT3743 獨特的設(shè)計實現(xiàn)了 3 態(tài)電流控制，這使該器件非常適用于 DLP 投影機中所需的色彩混合應(yīng)用。它還提供非?？斓?(2us) 電流轉(zhuǎn)換時間以優(yōu)化色彩混合分辨率，且在激光驅(qū)動器應(yīng)用中允許非?？斓碾娏髅}沖。

LT3743 的 5.5V 至 36V 輸入電壓范圍使它非常適用于種類繁多的應(yīng)用，包括工業(yè)、DLP 投影和建筑照明。LT3743 從標稱 12V 的輸入提供高達 20A 的連續(xù) LED 電流，從而提供超過 80W 的功率。在脈沖型 LED 應(yīng)用中，它可以從 12V 輸入提供高達 40A 的 LED 電流或 160W 的峰值功率。高達 95% 的效率無需任何外部散熱器，并極大地簡化了熱設(shè)計。頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能在 100kHz 至 1MHz 的范圍內(nèi)設(shè)定頻率，因此，設(shè)計師可以優(yōu)化效率，同時最大限度地減小外部組件尺寸。結(jié)合 4mm x 5mm QFN 或耐熱增強型 TSSOP-28 封裝，LT3743 可提供非常緊湊的大功率 LED 驅(qū)動器解決方案。圖 2 是該器件的典型應(yīng)用原理圖。

LT3743 提供 PWM 和 CTRL_SELECT 調(diào)光，從而在 3 種 LED 電流值上實現(xiàn) 3000:1 的調(diào)光能力，非常適用于諸如 DLP 投影機中所需要的那類色彩混合應(yīng)用。類似地，LT3743 獨特的拓撲使它能在不到 2us 的時間內(nèi)在兩個穩(wěn)定的 LED 電流之間轉(zhuǎn)換，從而在 RGB 應(yīng)用中實現(xiàn)更準確的色彩混合。該器件保持 ±6% 的 LED 電流準確度，以確保最準確的 LED 光輸出量。其他特點包括輸出電壓調(diào)節(jié)、開路 LED 保護、過流保護和過熱降額電路。

結(jié)論

盡管 HB LED 驅(qū)動器所必需的性能特點能羅列出很多，但是由 LED 驅(qū)動器驅(qū)動的 LED 必須能從可能最低的功率提供光輸出的必要流明，并且不致引起明顯的熱設(shè)計限制。就大功率 HB LED 產(chǎn)品的設(shè)計師而言，幸運的是，既有高效率 LED、又有驅(qū)動這些 LED 的高性能 LED 驅(qū)動器可用。