LED供電電源原理解析及實(shí)際應(yīng)用

　　半導(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(jì)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(jì)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(jì)被承包給一家工程公司時，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)中常見的習(xí)慣就會出現(xiàn)在LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)中。一些習(xí)慣是很有用的，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED">LED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(jì)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(jì)習(xí)慣引入LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)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(jì)。在進(jìn)行LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)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(jì)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（點(diǎn)擊圖片查看高清原圖）

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(jì)師在電源設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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。

表2 整體容差和假設(shè)電流源容差的對比情況

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?。撼鲇诔杀究紤]，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(jì)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。考慮到這些損耗，高質(zhì)量固態(tài)照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)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