理解LED驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

　　過去幾年來，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)在每封裝流明輸出和光效(單位為l m/w)方面的性能快速提升。商用的1W LED已提供有冷色溫LED(色溫5000K)的每封裝流明輸出超過1001m，光效達(dá)1001m/W ，而相同功率等級的暖色溫白光LED(色溫3000～3500K)也超過了70～801m。與兩年前相比，這些性能等級提高了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)艉蜔晒鉄舻那袑嵖尚械奶娲庠?。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，如基于實際太陽能板的遠(yuǎn)程照明，因為這很容易借可充電電池產(chǎn)生LED所要求的直流驅(qū)動電流。此外，如果恰當(dāng)設(shè)計，LED燈具的工作壽命可達(dá)3～595小時，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)動這些LED而言，在使用方面存在不少矛盾之處。例如，許多照明系統(tǒng)設(shè)計所使用或修改的已有電源方案并沒有充分顧及HB-LED的獨特驅(qū)動要求。如果設(shè)計人員要優(yōu)化LED照明所能提供的優(yōu)勢，必須仔細(xì)考慮驅(qū)動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、 熱管理，以及眾多應(yīng)用中會涉及到的光學(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)的工作壽命也會大幅縮短，從而沖抵使用長壽命L E D的主要優(yōu)勢。電源和驅(qū)動方面對照明系統(tǒng)的長期工作同等重要。HB-LED照明設(shè)計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(12Vdc)。

　　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LED發(fā)射器，這是由于正常的電壓波動會造成LED電流大幅變化，因為LED的電壓/電流(V/I)曲線非常陡峭；在不同驅(qū)動電流、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LED的安全低電壓。

　　LED驅(qū)動電路的其中一項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，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，簡單地限制最大電流。對于低電流指示器應(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，問題就出現(xiàn)了。要克服這個問題，需要費錢又費時地對LED進(jìn)行編碼及選擇恰當(dāng)?shù)碾娮鑱砥ヅ銵ED串正向電壓。即使采取這些步驟，仍然會有由輸入電壓變化導(dǎo)致的亮度變化問題。

　　過去幾年來，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)在每封裝流明輸出和光效(單位為l m/w)方面的性能快速提升。商用的1W LED已提供有冷色溫LED(色溫5000K)的每封裝流明輸出超過1001m，光效達(dá)1001m/W ，而相同功率等級的暖色溫白光LED(色溫3000～3500K)也超過了70～801m。與兩年前相比，這些性能等級提高了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)艉蜔晒鉄舻那袑嵖尚械奶娲庠础Ｒ虼?，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，如基于實際太陽能板的遠(yuǎn)程照明，因為這很容易借可充電電池產(chǎn)生LED所要求的直流驅(qū)動電流。此外，如果恰當(dāng)設(shè)計，LED燈具的工作壽命可達(dá)3～595小時，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)動這些LED而言，在使用方面存在不少矛盾之處。例如，許多照明系統(tǒng)設(shè)計所使用或修改的已有電源方案并沒有充分顧及HB-LED的獨特驅(qū)動要求。如果設(shè)計人員要優(yōu)化LED照明所能提供的優(yōu)勢，必須仔細(xì)考慮驅(qū)動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、 熱管理，以及眾多應(yīng)用中會涉及到的光學(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)的工作壽命也會大幅縮短，從而沖抵使用長壽命L E D的主要優(yōu)勢。電源和驅(qū)動方面對照明系統(tǒng)的長期工作同等重要。HB-LED照明設(shè)計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(12Vdc)。

　　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LED發(fā)射器，這是由于正常的電壓波動會造成LED電流大幅變化，因為LED的電壓/電流(V/I)曲線非常陡峭；在不同驅(qū)動電流、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LED的安全低電壓。

　　LED驅(qū)動電路的其中一項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，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，簡單地限制最大電流。對于低電流指示器應(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，問題就出現(xiàn)了。要克服這個問題，需要費錢又費時地對LED進(jìn)行編碼及選擇恰當(dāng)?shù)碾娮鑱砥ヅ銵ED串正向電壓。即使采取這些步驟，仍然會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(C CR)。它們易于設(shè)計，能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性，如高溫時電流反走及調(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(Ul熱耗散)是LED驅(qū)動電流、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)。

　　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，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，能效高于90％。與線性穩(wěn)壓器不同，它們對電磁干擾(EMI)很敏感，給設(shè)計人員帶來另一項需要注意的設(shè)計約束。對于中到大功率應(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200Hz與1O00Hz之間，因為人眼不能察覺頻率高于l00Hz時的細(xì)微變化。

　　三種基本的驅(qū)動器/穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別是降壓、升壓、降壓一升壓(又稱為單端初級電感轉(zhuǎn)換，簡稱SEPI C)。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串最小電壓時使用升壓電路。由于恒流驅(qū)動器的升壓拓?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)。

　　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，不會滋生尺寸方面的不利影響。實際上，如果理解透徹，與更常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，SEPIC可以提供眾多優(yōu)勢，提供更高的能效等級、更小的外形因數(shù)及更低的成本。輸入和輸出電壓交疊時，除了SEPIC，也可使用
一種非隔離型降壓一升壓拓?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LED平均電流。

　　針對給定應(yīng)用去評估最恰當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動器方案時，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12V、24V或36V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)計挑戰(zhàn)，在輸入電壓范圍與輸出電壓范圍交疊時要求更多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。理想情況下，如果設(shè)計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。