萬眾矚目的大功率、高亮度LED 驅(qū)動(dòng)器

背景

LED 是一種半導(dǎo)體器件，當(dāng)被施加正向偏置電壓時(shí)將發(fā)出非相干窄譜光，從而產(chǎn)生一種電致發(fā)光的現(xiàn)象。換句話說，固態(tài)磷光體在電場(chǎng)作用下，將電能直接轉(zhuǎn)換成了光。所發(fā)光的顏色取決于所用半導(dǎo)體材料的化學(xué)組成，可能接近紫外、可見或紅外光。

過去幾年，LED 技術(shù)取得了很大進(jìn)步。在散熱、封裝和工藝方面的改進(jìn)導(dǎo)致了更高的亮度、更高的效率、更長(zhǎng)的壽命和更低的成本。與白熾燈不同，LED 沒有會(huì)燒壞的燈絲，而且工作時(shí)往往溫度較低。此外，白熾燈有 95% 能量是以熱量形式浪費(fèi)掉的。

大功率或高亮度 (HB) LED 的光輸出已經(jīng)超過了每瓦 100 流明 (即 100 lm/W) 這一具有里程碑意義的關(guān)鍵數(shù)值。實(shí)際上，有些制造商已經(jīng)宣布，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了 200 lm/W。那么顯然，就發(fā)光有效性而言，LED 已經(jīng)超過了白熾燈 (一個(gè)典型的 60W 白熾燈的光輸出為 15 lm/W)?；蛘邠Q一種說法，發(fā)光有效性指的是，一個(gè)光源的光輸出量 (以流明為單位) 與產(chǎn)生該光輸出量所消耗的功率 (以瓦為單位) 之比。即使如此，人們?nèi)匀活A(yù)計(jì)，在未來一年內(nèi)，將在市場(chǎng)上輕而易舉地得到具 150 lm/W 光輸出的 LED。另一個(gè)好處是 LED 的壽命。視計(jì)算方法的不同而不同，白光 LED 燈至少具有 5 萬小時(shí)的壽命，有些甚至聲稱長(zhǎng)達(dá) 10 萬小時(shí)，而白熾燈的壽命僅為 1200 小時(shí)至 1500 小時(shí)左右。

高亮度 LED 照明的成本也在迅速下降。幾年前，單個(gè)白光二極管 (幾個(gè)這樣的二極管組成一個(gè) LED 燈，并占 LED 燈成本的大部分) 的價(jià)格約為 4 美元，現(xiàn)在已經(jīng)下降為不到 1 美元了。LED 業(yè)界的很多分析師預(yù)測(cè)，在未來一年中，取代白熾燈的 LED 燈價(jià)格將達(dá)到消費(fèi)者可接受的程度。一些 LED 制造商宣布，已經(jīng)設(shè)計(jì)出能讓 LED 燈產(chǎn)生的光輸出與 75W 白熾燈相媲美的發(fā)光芯片，而 75W 白熾燈在大多數(shù)家庭中都很常見。這類 LED 芯片通常僅需要約 9W 功率，就能使 LED 燈產(chǎn)生同等于 75W 白熾燈的光輸出量。

今天，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須具有的一個(gè)關(guān)鍵性能特點(diǎn)是能充分地對(duì) LED 燈調(diào)光。因?yàn)?LED 是用恒定電流驅(qū)動(dòng)的，而 DC 電流值與 LED 亮度成正比，那么要改變 LED 的亮度，就有兩種通過控制 LED 電流來調(diào)光的方法。第一種方法是模擬調(diào)光，采用這種方法時(shí)，通過降低恒定的 LED 電流值，成正比地降低 LED 的 DC 電流。降低 LED 電流可能引起 LED 色彩變化，或者導(dǎo)致對(duì) LED 電流的控制不準(zhǔn)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 的頻率接通和斷開 LED，以這樣的頻率開關(guān)，人眼是察覺不到的。PWM 調(diào)光的占空比與 LED 的亮度成正比，而接通時(shí) LED 電流保持相同的值 (如 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 所設(shè)定的那樣)，從而在高調(diào)光比時(shí)，保持 LED 色彩不變。在某些應(yīng)用中，這種 PWM 調(diào)光方法可以在高達(dá) 30,000:1 的調(diào)光比情況下使用。

尤其是在驅(qū)動(dòng)高亮度 (HB) LED 的情況下，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須能以一種既滿足輸入電壓范圍又滿足所需輸出電壓及電流要求的轉(zhuǎn)換拓?fù)?，為很多不同類型?LED配置提供足夠的電流和電壓。因此，在理想情況下，高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

? 寬輸入電壓范圍：高達(dá) 100V

? 寬輸出電壓范圍：高達(dá) 100V

? 高效率轉(zhuǎn)換：高達(dá) 98%

? 對(duì) LED 電流匹配進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)節(jié)：在溫度范圍內(nèi)變化少于 2%

? 低噪聲、恒定頻率工作：高達(dá) 2.5MHz

? 獨(dú)立電流和調(diào)光控制

? 寬調(diào)光比：高達(dá) 30,000:1

? 多種轉(zhuǎn)換拓?fù)?，包括降壓型、升壓型、降?升壓型和 SEPIC

? 很多保護(hù)功能，例如對(duì) LED 串開路、LED 引腳至 VOUT 短路提供保護(hù)，以及準(zhǔn)確的欠壓閉鎖門限

? 小型和占板面積緊湊的解決方案，需要最少的外部組件

高亮度 LED 舉例

毫無疑問，大部分汽車前燈仍然是白熾燈。不過，這種主導(dǎo)地位將來會(huì)受到來自高強(qiáng)度放電 (HID) 燈和高亮度 LED 前燈的壓力。HID 燈包括所有用在普通照明中的高強(qiáng)度放電燈，例如高壓水銀蒸氣燈、高壓鈉燈、低壓鈉等和金屬鹵化物燈。為室內(nèi)、建筑物或外部空間等工作或生活環(huán)境照明，一般照明源足夠亮了。這類照明應(yīng)用包括住宅照明、商用和工業(yè)照明、路燈以及汽車前燈。HID 氙燈于上世紀(jì) 90 年代首先引入在汽車前燈中。不過，這類燈的生產(chǎn)制造成本非常高，因此其使用一直僅限于高端汽車。未來，由于最近推出的高亮度 LED，這類 HID 氙燈的使用會(huì)迅速減少。因此，高亮度 LED 前燈在未來 10 年將有最大的增長(zhǎng)。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大障礙之一是：如何優(yōu)化由這最新一代 LED 提供的所有功能和益處。因?yàn)?LED 一般需要一個(gè)準(zhǔn)確和高效率的電流源以及一種調(diào)光方法，所以 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)為在多種工作條件下滿足這些要求。此外，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的電源解決方案必須是高效率、堅(jiān)固和可靠的，同時(shí)還要非常緊湊和具有成本效益。

可以說，就驅(qū)動(dòng) LED 而言，最苛刻的應(yīng)用之一將是汽車前燈系統(tǒng) (由遠(yuǎn)光燈、近光燈、白天行車燈、霧燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)燈組成)，因?yàn)檫@些燈既經(jīng)受著嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)境，同時(shí)又必須適應(yīng)多種溫度條件的變化。而且它們還必須總是能放入非常受限的空間中，總是具有富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

適用于汽車前燈的新型 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC

凌力爾特公司最近推出的 LT3791 是一款同步四開關(guān)降壓-升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器和穩(wěn)壓器控制器，非常適用于驅(qū)動(dòng)用于汽車前燈應(yīng)用的高亮度 LED。該控制器在高于、低于或等于輸出電壓的輸入電壓范圍內(nèi)工作。該器件具 4.5V 至 60V 的輸入范圍和 0V 至 60V 的輸出范圍，還可在工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換。此外，其獨(dú)特的同步降壓-升壓型拓?fù)涫构ぷ餍矢哌_(dá) 98%，這極大地減小了散出功率損耗產(chǎn)生的熱量所必需的散熱器之尺寸和重量。

以地為基準(zhǔn)的電壓反饋引腳 (FB) 用作幾個(gè) LED 保護(hù)功能的輸入，并使該轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作，如圖 1 所示。該器件還提供故障保護(hù)功能，以在 LED 開路或短路情況下不被損壞，并報(bào)告故障情況，同時(shí)當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，定時(shí)器允許 LT3791 繼續(xù)運(yùn)行、鎖斷或重啟。該器件還采用了專有的電流模式拓?fù)浜涂刂萍軜?gòu)，并在降壓和升壓模式時(shí)使用一個(gè)電流檢測(cè)電阻器。

圖 1：LT3791 以高達(dá) 100W 的功率驅(qū)動(dòng)一個(gè) 3A LED 陣列

15V TO 60V：15V 至 60V

LED POWER：LED 電源

結(jié)論

盡管高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器必須具有的性能特點(diǎn)有很多，但是由這種 LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的 LED 必須能以最低的功率提供必需的光輸出量，這樣就不會(huì)對(duì)熱量設(shè)計(jì)造成極大的限制。就大功率高亮度 LED 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師而言，幸運(yùn)的是，現(xiàn)在既存在高功效 LED，又有能驅(qū)動(dòng)這些高功效 LED 的高性能 LED 驅(qū)動(dòng)器。