高亮度LED戶外照明新潮及其驅(qū)動器技術(shù)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
1前言
當今面世的新技術(shù)高亮度(HB)白光LED使LED能夠達到1W的水平。由于效率方面的明顯改進，HB-LED正被迅速用于多種照明應用：交通信號燈、平面顯示設備的背景照明裝置、閃光燈與家庭照明。而對汽車應用來說，LED亦有極大的吸引力，長壽命、抗震、高效、對光源良好的控制能力都是它的優(yōu)勢。從節(jié)能的角度來講，尤其是戶外照明技術(shù)中更為突顯，并且在照明實業(yè)化上發(fā)展很廣。據(jù)此,本文將對高亮度白光LED在取代金鹵熒光燈、超大屏幕和太陽能lED路燈及大功率LED在城市照明等方面的新潮應用作分析。
在此，首先分析究竟是什么原因引起高功率LED如此紅火。以下幾個因素可能是使人們對此頗受青睞的原因。
⑴ 在提高能源效率上大有作為
高功率LED極為節(jié)約能源，而且與比其它技術(shù)相比，LED每W電發(fā)出更高的亮度。例如普通高功率LED每W可以提供80lm，而節(jié)能燈(CFL)可以提供每W70lm，普通白熾燈每W只能提供15lm。特殊高功率LED耗能在1W到1OW之間。與40W的低功率家用燈泡和60W的普通白熾燈耗能相比，它的耗能是相當?shù)偷摹?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; ">⑵ LED光源的技術(shù)日趨成熟
每W發(fā)光lm迅速增長，高功率LED的光輸出已經(jīng)實現(xiàn)了具有重要里程碑意義的100lm／W，有的制造商甚至聲稱其LED的光輸出達到了120lm／W。這意味著，就能量效率而言，LED如今已經(jīng)超越了節(jié)能燈CFL。預測，到2012年，LED的光輸出將達到150lm／W。
⑶ 更好的照明效果是眾望所歸
通常顯色的強度是從1到100，當LED顯色的強度到達100時，LED與陽光在視覺光譜上完全一樣。好的顯色指數(shù)(CRI)通常都是在90以上，而許多節(jié)能燈泡的顯色指數(shù)在75到90之間，白熾燈的CRI可以達到100。但LED的CRI現(xiàn)在達到90或90以上。正是因為技術(shù)的進步，不論是白色還是彩色高功率LED的顯色指數(shù)都很高，大大提高了高功率LED亮度的品質(zhì)。反之，若顯色指數(shù)下降到低于80的時候，在這種光下看到東西的顏色與真實的顏色不一致甚至有很大差距。既然高功率LED如此火爆，為此將對其在新潮的戶外照明實業(yè)化應用上作例舉說明。
2高功率LED在照明實業(yè)化上的應用例舉
2.1取代傳統(tǒng)的金鹵熒光燈及其在超大屏幕等方面的應用
⑴在太陽能街道照明系統(tǒng)的光源方面的應用
LED正在取代傳統(tǒng)的熒光燈和高強度氣體放電燈(HID)。HID包括金屬鹵化物燈(簡稱“金鹵燈”)、高/低壓鈉燈和水銀蒸氣燈等多種類型，其中憑借著相對較高的發(fā)光效率，金屬鹵化物燈應用得更為普遍。如今，隨著LED性能的快速提升，它在替代金鹵燈方面顯示出了更大潛力，要提供同等的光輸出，所使用的LED數(shù)量將會更少，從而提供LED的經(jīng)濟適用性。以100W金鹵燈為例，其平均光輸出流明數(shù)為3500lm，所以LED將具有越來越大的經(jīng)濟適用優(yōu)勢。為了適應LED在性能上快速提升的趨勢，必須采用如模塊化等設計技術(shù)。所謂模塊化設計技術(shù)是在光輸出等方面性能的持續(xù)提升，要提供相同的總光能輸出，就可以使用更少的LED光條，從而降低需要使用的LED的成本。圖1為LED模塊化途徑替代鹵燈光源示意圖。
圖1LED模塊化途徑替代鹵燈光源示意圖
⑵LED模塊化在超大屏幕上的應用
如今在霓虹燈行業(yè)有很多高功率LED的應用方案。除顯示墻圖片外，還有超大屏幕（見圖2所示）、應急照明、出口處照明、廣告牌、裝飾或者建筑照明。
圖2高功率LED作為超大屏幕的應用示意圖
2.2太陽能LED路燈應用與實現(xiàn)技術(shù)
與現(xiàn)有的白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈、和高壓鈉燈相比，LED光源具有6大明顯的優(yōu)點，包括：使用壽命長(使用壽命可達5萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上)、節(jié)能省電(比相同照明效果傳統(tǒng)光源節(jié)能80％以上)、應用簡單方便、使用成本低、堅固和環(huán)保(無輻射，廢棄物可回收，不含汞元素)，因而使得它在當今講究節(jié)能環(huán)保的經(jīng)濟形勢下成為了一個非常吸引人的選擇。正因為如此，它為太陽能照明的應用拓寬了又一渠道：即把太陽能照明最佳的實現(xiàn)方法是和發(fā)光器件結(jié)合在一起，以構(gòu)成獨立的照明裝置。目前，最有前景的是太陽能LED路燈的經(jīng)濟價值最高，因為普通的路燈需要鋪設很長的輸電線路，而且隨著距離的增加，電壓會逐漸降低，經(jīng)過一定距離還要用變壓器升壓。其電源線路的鋪設要投入很高的費用。而太陽能路燈則不然，因為每一根路燈桿都是獨立的，不需要鋪設輸電線路，這就大大降低了架設的費用，而且LED的發(fā)光效率遠高于白織燈。
⑴太陽能路燈的構(gòu)成
不管是那一種太陽能路燈，都是由5個部分組成：太陽能電池、蓄電池、控制裝置、LED、LED的驅(qū)動芯片。通常太陽能電池板掛在高桿上，充放電控制器和鉛蓄電池放在地面的控制箱內(nèi)，驅(qū)動芯片和LED都裝在燈頭里。其示意圖如圖3所示。
圖3太陽能路燈的構(gòu)成示意框圖
但是由于充放電控制器只能對蓄電池的充放電過程的控制和定時(或光控)向LED供電，并不能穩(wěn)定其輸出電壓。這就是太陽能燈具所面臨的重要挑戰(zhàn)，如何應對是問題的關(guān)鍵，需要解決LED恒流驅(qū)動問題。
⑶LED恒流驅(qū)動的應用
由上述可知，作為一種光源，因為LED的最大缺點就是它的發(fā)光不穩(wěn)定，很容易受到電壓與溫度的影響。而且，它對電壓和溫度的靈敏度還很高。所以一定要采用恒流驅(qū)動來克服它的發(fā)光不穩(wěn)定。比較有效的辦法是采用恒流驅(qū)動IC來穩(wěn)定LED的正向電流。采用—個集成電路（如太陽能升壓驅(qū)動芯片PAM2842與內(nèi)置8／16通道線性LED驅(qū)動器的PWM控制器）來控制LED的電流，使其不論在電池電壓降低或是環(huán)境溫度升高時都能保持正向電流恒定。在此僅對內(nèi)置8／16通道線性LED驅(qū)動器的PWM控制器應用作分析。
以MAX16807-MAX16810為例，它可提供92％的效率和高達5000：1的亮度調(diào)節(jié)范圍，是完全集成的開關(guān)模式線性LED驅(qū)動器，適用于LCD的RGB或白光LED背光、抬頭顯示系統(tǒng)和高亮度照明應用等。該芯片上開關(guān)模式控制器為LED陣列提供電壓。通過各路集成線性輸出(恒流吸人型)實現(xiàn)LED陣列中每一列的恒流控制。對于通常需要開關(guān)模式LED驅(qū)動器和眾多分立元件的應用來說，MAXl6807-MAXl6810提供具有成本效益的背光照明方案。在這類應用中采用該系列器件，不必再擔憂LED電流精度和通道匹配問題，并可極大地減少元件數(shù)量和節(jié)省電路板空間。這些驅(qū)動器除了在太陽能路燈應用外，也是LCD電視、PC監(jiān)視器、汽車、工業(yè)和醫(yī)療設備LCD中LED背光照明的最佳選擇。圖4為內(nèi)置8／16通道線性LED驅(qū)動器的PWM控制器MAX16807-MAX16810應用示意圖。從圖中可知：它是Boost或BUck-boost(SEPIC)預調(diào)節(jié)器（電感線圈L是一組件），能為LED陣列提供經(jīng)過優(yōu)化的電壓；PWM是獨立工作或配合微控制器工作，可同時調(diào)光和/或單獨控制每個通道，其高達30kHz的調(diào)光頻率；通過單個電阻RSET設置LED電流，其每一列電流高達55mA；可并聯(lián)輸出提供更大電流，通道間的電流匹配精度達3％；具有獨立的閉環(huán)電流控制，是40VouT引腳額定電壓。因此，它更是在LCD中的WLED或RGBLED背光照明的理想之用。
圖4內(nèi)置8／16通道線性LED驅(qū)動器的PWM控制器應用示意
⑷太陽能路燈構(gòu)成的一個新方案
該方案是將圖3太陽能路燈構(gòu)成中省去LED恒流驅(qū)動模塊。直接由多功能充電控制器來控制LED燈具。因為其中的充電控制器功能大大增加，它能用于保護電池免受過充或欠充影響，并防止反向電流。PWM型控制器會控制對電池充電的電量，并可實現(xiàn)細流充電，從而保護電池并延長使用壽命。最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對太陽能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補償，優(yōu)化太陽能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。該方案中充電控制器是太陽能路燈的核心，據(jù)此可選擇用CS51221增強型電壓模式PWM控制器為充電控制器。
⑸太陽能路燈的具體應用實例
如圖5所示，它是一個內(nèi)裝24顆3W的LED燈具，其安裝高度為4．6m左右。
圖5內(nèi)裝24顆3W的LED燈具示意圖
2.3大功率LED在城市照明中的應用
所謂大功率LED是具有世界最高亮度(即外量子效率)的芯片(如科銳公司大功率LEDXLamp芯片)，其具有的先進技術(shù)指標為：如藍光479nm在350mA下輸出可達42lm以上的指標；白光產(chǎn)品具有冷百色域內(nèi)典型350mA下輸出可達114lm以上的指標。為此，大功率LED在城市照明上具有獨特之優(yōu)勢：全白色范圍，先進的輸出通量和發(fā)光效率，又有色點穩(wěn)定性好、光照均勻及長壽命等特點。例如在路燈中的應用，其大功率LEDXLampXR—E型具有1001m／W級的發(fā)光效率，只要使用少于100顆的XR-LED就可以取代傳統(tǒng)路燈光源，使LED照明在路燈中的應用更加完美，如圖5所示。
圖6大功率LED在城市照明中的應用示意圖
圖6的特點：A區(qū)為近區(qū)域使用裸的LED器件，B中間區(qū)域使用帶橢圓透鏡的LED，c區(qū)最遠的區(qū)城使用帶平行光透鏡的LED。
3高亮度白光LED需要高性能驅(qū)動器的支撐
高亮度白光LED正在迅速取代白熾燈照明。然而為了確保最佳性能和長工作壽命，LED需要一個有效的驅(qū)動電路。這些驅(qū)動電路必須能夠靠一個精確穩(wěn)定的電源軌工作，對電流和溫度進行限制。無論輸入電壓如何變化，LED驅(qū)動器都要向LED串/并提供恒定電流，以保持恒定光輸出和顏色不變。出于這個原因，常常需要恒定頻率電流模式LED驅(qū)動器拓撲。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動態(tài)特性并提供逐周期限流，從而向LED提供恒定電流。最后，LED驅(qū)動器必須提供高于90％的效率，以最大限度減少對外部散熱器的需求并保持照明系統(tǒng)的高效率。當今作為新型的高亮度LED驅(qū)動器的芯片已不斷在市場上問世。值此，對高性能驅(qū)動器的支撐用幾個典例作說明。
3.1工作在升壓模式的單LED驅(qū)動器IC應用
工作在升壓模式的單LED驅(qū)動器IC(凌力爾特公司)，所驅(qū)動的是—個典型50WLED串。其LT3755型芯片是一個60V、高端電流檢測DC／DC轉(zhuǎn)換器，用來驅(qū)動大電流LED。4.5V—40V的輸入電壓范圍使其非常適用于多種應用，包括工業(yè)和建筑照明。LT3755使用一個外部N溝道MOSFET，可以用標稱12V輸入驅(qū)動多達14個白光LED，從而提供超過50W的功率。用一個24V輸入，它可以為多達20個LED供電，從而提供總共75W的LED功率。圖7為工作在升壓模式的LT3755型LED驅(qū)動器引腳與功能圖。
圖7工作在升壓模式的LT3755型LED驅(qū)動器引腳與功能圖
LT3755采用高端電流檢測，從而使其能夠在升壓、降壓，降壓—升壓或SEPIC和反激式拓撲中使用。在這個例子中，LT3755用于升壓模式，可以提供超過94％的效率，從而無需任何散熱器并最大限度減輕了對熱量問題的擔憂，采用LT375550WLED升壓電路的效率和VIN的關(guān)系如圖7所示。一個頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz-1MHz的范圍內(nèi)對頻率編程，從而優(yōu)化了效率，同時最大限度地減小了外部組件尺寸和成本。加之3mmx3mmQFN封裝，LT3755提供一個非常緊湊的50W-75WLED驅(qū)動器解決方案。
LT3755使用TrueColorPWM調(diào)光，以高達3000：1的調(diào)光范圍提供恒定LED顏色。就要求較低的調(diào)光需求而言，CTRL引腳可以用來提供10：1的模擬調(diào)光范圍。其固定頻率、電流模式架構(gòu)在寬電源和輸入電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定工作。一個以地為基準電壓的FB引腳用作幾個LED保護功能的輸入，從而使該轉(zhuǎn)換器能夠作為恒定電壓源工作。
圖7中的設計可以用在多種不同的配置中。LED在50W聚光燈配置中可排列成單個陣列，以取代一個125W的熒光燈或高壓鈉燈，全部相當于一個500W光輸出、散熱百分數(shù)非常小的鹵素燈。除了節(jié)能，由LT3755驅(qū)動的LED還堤供即時接通功能、顏色純凈得多的光，以及能夠快速和準確地對LED調(diào)光?；蛘撸部梢詫⒍噙_14個4W的LED配置為活動式投射燈，每個燈都能以同樣或更好的光顏色提供相當于一個40W鹵素燈的光輸出，同時降低了非常熱的鹵素燈所固有的火災風險。類似地，LED還可以取代幾個熒光燈。
3.2超小型高亮度LED驅(qū)動器可簡化照明設計
40V、350mA、TQFN封裝的LED驅(qū)動器MAX16803，比TO-263封裝節(jié)省83％的電路板空間。其MAX16803是一款可調(diào)恒流源，可為一列或多列高亮度LED(HBLED)提供高達350mA的驅(qū)動電流．最高40V的寬輸入電壓范圍允許串聯(lián)數(shù)目較多的LED。MAX16803理想用于電視、車載和計算機顯示器中的白光和RGBLED背光驅(qū)動。該調(diào)節(jié)器集200mV、低壓電流檢測基準與差分LED電流檢測技術(shù)于一身，可提供±3.5％的負載電流精度。這種電流精度能提供均勻的亮度。該器件提供低壓差調(diào)整元件(0.5V，典型值)和低壓電流檢測基準，可使系統(tǒng)功耗降至最低。通過專門的亮度調(diào)節(jié)輸入實現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)節(jié)功能，從而對亮度進行調(diào)整。波形整形電路產(chǎn)生平緩的LED電流上升沿和下降沿具有相同的持續(xù)時間，進而降低開、關(guān)瞬態(tài)的EMI。圖8為用Max16803LED驅(qū)動器簡化照明示意圖。
圖8用Max16803LED驅(qū)動器簡化設計示意圖
該設計的特征：高達45V的甩負載保護IN、EH和DIM，寬PWM亮度調(diào)節(jié)范圍，利用RSENS調(diào)節(jié)LED電流，+5V調(diào)節(jié)器給微控制器供電。
主要功能：利用外部BJT(雙極結(jié)晶體管)可提供高達2A的LED電流；±3.5％的LED電流精度；波形整形控制大為降低PWM亮度調(diào)節(jié)過程中的EMI；200mV低壓電流檢測基準可極大地降低功耗；工作電壓可低至+5V，適合汽車冷啟動；具有短路保護與熱關(guān)斷；可工作于-40℃至+125℃溫度范圍?？衫硐胗糜谄噧?nèi)部和外部LED照明、重點和建筑LED照明及信號標志和LED立體發(fā)光字。
3.3基于微控制器的驅(qū)動解決方案可為照明系統(tǒng)設計帶來更大的靈活性
除上述高亮度LED驅(qū)動器之外，基于微控制器(MCU)的驅(qū)動解決方案可為照明系統(tǒng)設計帶來更大的靈活性。也就是說，除了普通照明以外，這種控制器還能為最終應用提供足夠的處理功能以支持額外的特性。因此，它具有較大的吸引力?；谖⒖刂破鞯尿?qū)動解決方案設計的優(yōu)點是：燈光亮度調(diào)節(jié)和閃爍可以通過MCU軟件輕松實現(xiàn)，而無需向系統(tǒng)中增裝其它組件；不同功率或不同品牌的HB-LED具有不同的特征，MCU可以通過軟件編程以滿足不同的驅(qū)動要求。在這種情況下，照明設備制造商可以減少庫存的類型，進而簡化物流處理工作；許多MCU具有芯片閃存，可以用于應用中的數(shù)據(jù)存儲。例如，在實施燈光亮度控制功能時，芯片閃存可用于保存亮度級別，每次打開燈光時可以自動恢復上一次的亮度級別。除照明外，MCU還可以處理幾種功能，如不同類型的連接標準(如Zigbee、RS-232和LIN等)亦可以通過MCU芯片模塊輕松實施。其用于HB-LED照明的MC9RS08KA2系統(tǒng)就是一典例。MC9RS08KA2也支持8引腳封裝，不帶芯片ADC，但包括ACMP，這對HB-LED應用來說也已經(jīng)足夠了。圖8是基于MC9RS08KA2的簡單降壓變換器系統(tǒng)示意圖。在很多情況下，應用電源電壓ViN與MCU的電源電壓不同。有時需要使用特定的電壓調(diào)節(jié)器(可以是一個簡單的接地齊納二極管)將Vin降低到MCU操作范圍VDD。此外還需要電平轉(zhuǎn)換器，使MCU能夠撥動電壓高于MCUVDD的高端開關(guān)SWl。PTA4與PTA5為MC9RS08KA2通用輸出端。MC9RS08KA2的簡單降壓變換器系統(tǒng)除具有HB-LED照明外，可以通過軟件流程實現(xiàn)亮度控制、電源電壓補償?shù)褥`活功能。
圖9基于微控制器的上照明驅(qū)動方案示意圖
4 結(jié)語：拓寬與前景
高功率LED照明用的顯著優(yōu)勢成為越來越多人的選擇。從應用的角度來看，小于25W的LED照明應用將逐漸滲透到便攜式手持產(chǎn)品(如PMP和MID)、閱讀臺燈、餐燈、床頭燈、標志燈、裝飾燈、格柵仃、汽車尾燈、汽車近光燈、汽車轉(zhuǎn)彎燈，甚至汽車信息娛樂顯示器。25W~100W的LED照明應用可在汽車前照燈、辦公室照明和建筑照明用途中找到用武之地。100W以上的LED照明應用將在大屏幕LCD-TV、高速公路、大型廣場、電視墻和工業(yè)照明中得到廣泛普及。
需要特別指出是，在應用上最近三原色(RGB)LED的改進，顯著改善了白色及彩色LED宇幕。紅綠藍(RGB)LED把紅、綠、藍三種顏色的芯片封裝在一起，能夠發(fā)出不同顏色的光。以前RGBLED發(fā)出的混色光非常不穩(wěn)定，而高功率LED驅(qū)動器成功解決了這一技術(shù)難題。最近，高功率的RGBLED比其它照明的靈活性更高。LED系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以和傳感器、其它照明控制器如調(diào)光器、日光控制器及動態(tài)光調(diào)節(jié)器連在一起使用。與此同時，人們還會把高功率LED應用到傳感器技術(shù)上實現(xiàn)自動開啟功能及紅外線LED技術(shù)領域，到時夜視系統(tǒng)將大大改善?！?/div>
當今面世的新技術(shù)高亮度(HB)白光LED使LED能夠達到1W的水平。由于效率方面的明顯改進，HB-LED正被迅速用于多種照明應用：交通信號燈、平面顯示設備的背景照明裝置、閃光燈與家庭照明。而對汽車應用來說，LED亦有極大的吸引力，長壽命、抗震、高效、對光源良好的控制能力都是它的優(yōu)勢。從節(jié)能的角度來講，尤其是戶外照明技術(shù)中更為突顯，并且在照明實業(yè)化上發(fā)展很廣。據(jù)此,本文將對高亮度白光LED在取代金鹵熒光燈、超大屏幕和太陽能lED路燈及大功率LED在城市照明等方面的新潮應用作分析。
在此，首先分析究竟是什么原因引起高功率LED如此紅火。以下幾個因素可能是使人們對此頗受青睞的原因。
⑴ 在提高能源效率上大有作為
高功率LED極為節(jié)約能源，而且與比其它技術(shù)相比，LED每W電發(fā)出更高的亮度。例如普通高功率LED每W可以提供80lm，而節(jié)能燈(CFL)可以提供每W70lm，普通白熾燈每W只能提供15lm。特殊高功率LED耗能在1W到1OW之間。與40W的低功率家用燈泡和60W的普通白熾燈耗能相比，它的耗能是相當?shù)偷摹?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; ">⑵ LED光源的技術(shù)日趨成熟
每W發(fā)光lm迅速增長，高功率LED的光輸出已經(jīng)實現(xiàn)了具有重要里程碑意義的100lm／W，有的制造商甚至聲稱其LED的光輸出達到了120lm／W。這意味著，就能量效率而言，LED如今已經(jīng)超越了節(jié)能燈CFL。預測，到2012年，LED的光輸出將達到150lm／W。
⑶ 更好的照明效果是眾望所歸
通常顯色的強度是從1到100，當LED顯色的強度到達100時，LED與陽光在視覺光譜上完全一樣。好的顯色指數(shù)(CRI)通常都是在90以上，而許多節(jié)能燈泡的顯色指數(shù)在75到90之間，白熾燈的CRI可以達到100。但LED的CRI現(xiàn)在達到90或90以上。正是因為技術(shù)的進步，不論是白色還是彩色高功率LED的顯色指數(shù)都很高，大大提高了高功率LED亮度的品質(zhì)。反之，若顯色指數(shù)下降到低于80的時候，在這種光下看到東西的顏色與真實的顏色不一致甚至有很大差距。既然高功率LED如此火爆，為此將對其在新潮的戶外照明實業(yè)化應用上作例舉說明。
2高功率LED在照明實業(yè)化上的應用例舉
2.1取代傳統(tǒng)的金鹵熒光燈及其在超大屏幕等方面的應用
⑴在太陽能街道照明系統(tǒng)的光源方面的應用
LED正在取代傳統(tǒng)的熒光燈和高強度氣體放電燈(HID)。HID包括金屬鹵化物燈(簡稱“金鹵燈”)、高/低壓鈉燈和水銀蒸氣燈等多種類型，其中憑借著相對較高的發(fā)光效率，金屬鹵化物燈應用得更為普遍。如今，隨著LED性能的快速提升，它在替代金鹵燈方面顯示出了更大潛力，要提供同等的光輸出，所使用的LED數(shù)量將會更少，從而提供LED的經(jīng)濟適用性。以100W金鹵燈為例，其平均光輸出流明數(shù)為3500lm，所以LED將具有越來越大的經(jīng)濟適用優(yōu)勢。為了適應LED在性能上快速提升的趨勢，必須采用如模塊化等設計技術(shù)。所謂模塊化設計技術(shù)是在光輸出等方面性能的持續(xù)提升，要提供相同的總光能輸出，就可以使用更少的LED光條，從而降低需要使用的LED的成本。圖1為LED模塊化途徑替代鹵燈光源示意圖。
圖1LED模塊化途徑替代鹵燈光源示意圖
⑵LED模塊化在超大屏幕上的應用
如今在霓虹燈行業(yè)有很多高功率LED的應用方案。除顯示墻圖片外，還有超大屏幕（見圖2所示）、應急照明、出口處照明、廣告牌、裝飾或者建筑照明。
圖2高功率LED作為超大屏幕的應用示意圖
2.2太陽能LED路燈應用與實現(xiàn)技術(shù)
與現(xiàn)有的白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈、和高壓鈉燈相比，LED光源具有6大明顯的優(yōu)點，包括：使用壽命長(使用壽命可達5萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上)、節(jié)能省電(比相同照明效果傳統(tǒng)光源節(jié)能80％以上)、應用簡單方便、使用成本低、堅固和環(huán)保(無輻射，廢棄物可回收，不含汞元素)，因而使得它在當今講究節(jié)能環(huán)保的經(jīng)濟形勢下成為了一個非常吸引人的選擇。正因為如此，它為太陽能照明的應用拓寬了又一渠道：即把太陽能照明最佳的實現(xiàn)方法是和發(fā)光器件結(jié)合在一起，以構(gòu)成獨立的照明裝置。目前，最有前景的是太陽能LED路燈的經(jīng)濟價值最高，因為普通的路燈需要鋪設很長的輸電線路，而且隨著距離的增加，電壓會逐漸降低，經(jīng)過一定距離還要用變壓器升壓。其電源線路的鋪設要投入很高的費用。而太陽能路燈則不然，因為每一根路燈桿都是獨立的，不需要鋪設輸電線路，這就大大降低了架設的費用，而且LED的發(fā)光效率遠高于白織燈。
⑴太陽能路燈的構(gòu)成
不管是那一種太陽能路燈，都是由5個部分組成：太陽能電池、蓄電池、控制裝置、LED、LED的驅(qū)動芯片。通常太陽能電池板掛在高桿上，充放電控制器和鉛蓄電池放在地面的控制箱內(nèi)，驅(qū)動芯片和LED都裝在燈頭里。其示意圖如圖3所示。
圖3太陽能路燈的構(gòu)成示意框圖
但是由于充放電控制器只能對蓄電池的充放電過程的控制和定時(或光控)向LED供電，并不能穩(wěn)定其輸出電壓。這就是太陽能燈具所面臨的重要挑戰(zhàn)，如何應對是問題的關(guān)鍵，需要解決LED恒流驅(qū)動問題。
⑶LED恒流驅(qū)動的應用
由上述可知，作為一種光源，因為LED的最大缺點就是它的發(fā)光不穩(wěn)定，很容易受到電壓與溫度的影響。而且，它對電壓和溫度的靈敏度還很高。所以一定要采用恒流驅(qū)動來克服它的發(fā)光不穩(wěn)定。比較有效的辦法是采用恒流驅(qū)動IC來穩(wěn)定LED的正向電流。采用—個集成電路（如太陽能升壓驅(qū)動芯片PAM2842與內(nèi)置8／16通道線性LED驅(qū)動器的PWM控制器）來控制LED的電流，使其不論在電池電壓降低或是環(huán)境溫度升高時都能保持正向電流恒定。在此僅對內(nèi)置8／16通道線性LED驅(qū)動器的PWM控制器應用作分析。
以MAX16807-MAX16810為例，它可提供92％的效率和高達5000：1的亮度調(diào)節(jié)范圍，是完全集成的開關(guān)模式線性LED驅(qū)動器，適用于LCD的RGB或白光LED背光、抬頭顯示系統(tǒng)和高亮度照明應用等。該芯片上開關(guān)模式控制器為LED陣列提供電壓。通過各路集成線性輸出(恒流吸人型)實現(xiàn)LED陣列中每一列的恒流控制。對于通常需要開關(guān)模式LED驅(qū)動器和眾多分立元件的應用來說，MAXl6807-MAXl6810提供具有成本效益的背光照明方案。在這類應用中采用該系列器件，不必再擔憂LED電流精度和通道匹配問題，并可極大地減少元件數(shù)量和節(jié)省電路板空間。這些驅(qū)動器除了在太陽能路燈應用外，也是LCD電視、PC監(jiān)視器、汽車、工業(yè)和醫(yī)療設備LCD中LED背光照明的最佳選擇。圖4為內(nèi)置8／16通道線性LED驅(qū)動器的PWM控制器MAX16807-MAX16810應用示意圖。從圖中可知：它是Boost或BUck-boost(SEPIC)預調(diào)節(jié)器（電感線圈L是一組件），能為LED陣列提供經(jīng)過優(yōu)化的電壓；PWM是獨立工作或配合微控制器工作，可同時調(diào)光和/或單獨控制每個通道，其高達30kHz的調(diào)光頻率；通過單個電阻RSET設置LED電流，其每一列電流高達55mA；可并聯(lián)輸出提供更大電流，通道間的電流匹配精度達3％；具有獨立的閉環(huán)電流控制，是40VouT引腳額定電壓。因此，它更是在LCD中的WLED或RGBLED背光照明的理想之用。
圖4內(nèi)置8／16通道線性LED驅(qū)動器的PWM控制器應用示意
⑷太陽能路燈構(gòu)成的一個新方案
該方案是將圖3太陽能路燈構(gòu)成中省去LED恒流驅(qū)動模塊。直接由多功能充電控制器來控制LED燈具。因為其中的充電控制器功能大大增加，它能用于保護電池免受過充或欠充影響，并防止反向電流。PWM型控制器會控制對電池充電的電量，并可實現(xiàn)細流充電，從而保護電池并延長使用壽命。最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對太陽能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補償，優(yōu)化太陽能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。該方案中充電控制器是太陽能路燈的核心，據(jù)此可選擇用CS51221增強型電壓模式PWM控制器為充電控制器。
⑸太陽能路燈的具體應用實例
如圖5所示，它是一個內(nèi)裝24顆3W的LED燈具，其安裝高度為4．6m左右。
圖5內(nèi)裝24顆3W的LED燈具示意圖
2.3大功率LED在城市照明中的應用
所謂大功率LED是具有世界最高亮度(即外量子效率)的芯片(如科銳公司大功率LEDXLamp芯片)，其具有的先進技術(shù)指標為：如藍光479nm在350mA下輸出可達42lm以上的指標；白光產(chǎn)品具有冷百色域內(nèi)典型350mA下輸出可達114lm以上的指標。為此，大功率LED在城市照明上具有獨特之優(yōu)勢：全白色范圍，先進的輸出通量和發(fā)光效率，又有色點穩(wěn)定性好、光照均勻及長壽命等特點。例如在路燈中的應用，其大功率LEDXLampXR—E型具有1001m／W級的發(fā)光效率，只要使用少于100顆的XR-LED就可以取代傳統(tǒng)路燈光源，使LED照明在路燈中的應用更加完美，如圖5所示。
圖6大功率LED在城市照明中的應用示意圖
圖6的特點：A區(qū)為近區(qū)域使用裸的LED器件，B中間區(qū)域使用帶橢圓透鏡的LED，c區(qū)最遠的區(qū)城使用帶平行光透鏡的LED。
3高亮度白光LED需要高性能驅(qū)動器的支撐
高亮度白光LED正在迅速取代白熾燈照明。然而為了確保最佳性能和長工作壽命，LED需要一個有效的驅(qū)動電路。這些驅(qū)動電路必須能夠靠一個精確穩(wěn)定的電源軌工作，對電流和溫度進行限制。無論輸入電壓如何變化，LED驅(qū)動器都要向LED串/并提供恒定電流，以保持恒定光輸出和顏色不變。出于這個原因，常常需要恒定頻率電流模式LED驅(qū)動器拓撲。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動態(tài)特性并提供逐周期限流，從而向LED提供恒定電流。最后，LED驅(qū)動器必須提供高于90％的效率，以最大限度減少對外部散熱器的需求并保持照明系統(tǒng)的高效率。當今作為新型的高亮度LED驅(qū)動器的芯片已不斷在市場上問世。值此，對高性能驅(qū)動器的支撐用幾個典例作說明。
3.1工作在升壓模式的單LED驅(qū)動器IC應用
工作在升壓模式的單LED驅(qū)動器IC(凌力爾特公司)，所驅(qū)動的是—個典型50WLED串。其LT3755型芯片是一個60V、高端電流檢測DC／DC轉(zhuǎn)換器，用來驅(qū)動大電流LED。4.5V—40V的輸入電壓范圍使其非常適用于多種應用，包括工業(yè)和建筑照明。LT3755使用一個外部N溝道MOSFET，可以用標稱12V輸入驅(qū)動多達14個白光LED，從而提供超過50W的功率。用一個24V輸入，它可以為多達20個LED供電，從而提供總共75W的LED功率。圖7為工作在升壓模式的LT3755型LED驅(qū)動器引腳與功能圖。
圖7工作在升壓模式的LT3755型LED驅(qū)動器引腳與功能圖
LT3755采用高端電流檢測，從而使其能夠在升壓、降壓，降壓—升壓或SEPIC和反激式拓撲中使用。在這個例子中，LT3755用于升壓模式，可以提供超過94％的效率，從而無需任何散熱器并最大限度減輕了對熱量問題的擔憂，采用LT375550WLED升壓電路的效率和VIN的關(guān)系如圖7所示。一個頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz-1MHz的范圍內(nèi)對頻率編程，從而優(yōu)化了效率，同時最大限度地減小了外部組件尺寸和成本。加之3mmx3mmQFN封裝，LT3755提供一個非常緊湊的50W-75WLED驅(qū)動器解決方案。
LT3755使用TrueColorPWM調(diào)光，以高達3000：1的調(diào)光范圍提供恒定LED顏色。就要求較低的調(diào)光需求而言，CTRL引腳可以用來提供10：1的模擬調(diào)光范圍。其固定頻率、電流模式架構(gòu)在寬電源和輸入電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定工作。一個以地為基準電壓的FB引腳用作幾個LED保護功能的輸入，從而使該轉(zhuǎn)換器能夠作為恒定電壓源工作。
圖7中的設計可以用在多種不同的配置中。LED在50W聚光燈配置中可排列成單個陣列，以取代一個125W的熒光燈或高壓鈉燈，全部相當于一個500W光輸出、散熱百分數(shù)非常小的鹵素燈。除了節(jié)能，由LT3755驅(qū)動的LED還堤供即時接通功能、顏色純凈得多的光，以及能夠快速和準確地對LED調(diào)光?；蛘撸部梢詫⒍噙_14個4W的LED配置為活動式投射燈，每個燈都能以同樣或更好的光顏色提供相當于一個40W鹵素燈的光輸出，同時降低了非常熱的鹵素燈所固有的火災風險。類似地，LED還可以取代幾個熒光燈。
3.2超小型高亮度LED驅(qū)動器可簡化照明設計
40V、350mA、TQFN封裝的LED驅(qū)動器MAX16803，比TO-263封裝節(jié)省83％的電路板空間。其MAX16803是一款可調(diào)恒流源，可為一列或多列高亮度LED(HBLED)提供高達350mA的驅(qū)動電流．最高40V的寬輸入電壓范圍允許串聯(lián)數(shù)目較多的LED。MAX16803理想用于電視、車載和計算機顯示器中的白光和RGBLED背光驅(qū)動。該調(diào)節(jié)器集200mV、低壓電流檢測基準與差分LED電流檢測技術(shù)于一身，可提供±3.5％的負載電流精度。這種電流精度能提供均勻的亮度。該器件提供低壓差調(diào)整元件(0.5V，典型值)和低壓電流檢測基準，可使系統(tǒng)功耗降至最低。通過專門的亮度調(diào)節(jié)輸入實現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)節(jié)功能，從而對亮度進行調(diào)整。波形整形電路產(chǎn)生平緩的LED電流上升沿和下降沿具有相同的持續(xù)時間，進而降低開、關(guān)瞬態(tài)的EMI。圖8為用Max16803LED驅(qū)動器簡化照明示意圖。
圖8用Max16803LED驅(qū)動器簡化設計示意圖
該設計的特征：高達45V的甩負載保護IN、EH和DIM，寬PWM亮度調(diào)節(jié)范圍，利用RSENS調(diào)節(jié)LED電流，+5V調(diào)節(jié)器給微控制器供電。
主要功能：利用外部BJT(雙極結(jié)晶體管)可提供高達2A的LED電流；±3.5％的LED電流精度；波形整形控制大為降低PWM亮度調(diào)節(jié)過程中的EMI；200mV低壓電流檢測基準可極大地降低功耗；工作電壓可低至+5V，適合汽車冷啟動；具有短路保護與熱關(guān)斷；可工作于-40℃至+125℃溫度范圍?？衫硐胗糜谄噧?nèi)部和外部LED照明、重點和建筑LED照明及信號標志和LED立體發(fā)光字。
3.3基于微控制器的驅(qū)動解決方案可為照明系統(tǒng)設計帶來更大的靈活性
除上述高亮度LED驅(qū)動器之外，基于微控制器(MCU)的驅(qū)動解決方案可為照明系統(tǒng)設計帶來更大的靈活性。也就是說，除了普通照明以外，這種控制器還能為最終應用提供足夠的處理功能以支持額外的特性。因此，它具有較大的吸引力?；谖⒖刂破鞯尿?qū)動解決方案設計的優(yōu)點是：燈光亮度調(diào)節(jié)和閃爍可以通過MCU軟件輕松實現(xiàn)，而無需向系統(tǒng)中增裝其它組件；不同功率或不同品牌的HB-LED具有不同的特征，MCU可以通過軟件編程以滿足不同的驅(qū)動要求。在這種情況下，照明設備制造商可以減少庫存的類型，進而簡化物流處理工作；許多MCU具有芯片閃存，可以用于應用中的數(shù)據(jù)存儲。例如，在實施燈光亮度控制功能時，芯片閃存可用于保存亮度級別，每次打開燈光時可以自動恢復上一次的亮度級別。除照明外，MCU還可以處理幾種功能，如不同類型的連接標準(如Zigbee、RS-232和LIN等)亦可以通過MCU芯片模塊輕松實施。其用于HB-LED照明的MC9RS08KA2系統(tǒng)就是一典例。MC9RS08KA2也支持8引腳封裝，不帶芯片ADC，但包括ACMP，這對HB-LED應用來說也已經(jīng)足夠了。圖8是基于MC9RS08KA2的簡單降壓變換器系統(tǒng)示意圖。在很多情況下，應用電源電壓ViN與MCU的電源電壓不同。有時需要使用特定的電壓調(diào)節(jié)器(可以是一個簡單的接地齊納二極管)將Vin降低到MCU操作范圍VDD。此外還需要電平轉(zhuǎn)換器，使MCU能夠撥動電壓高于MCUVDD的高端開關(guān)SWl。PTA4與PTA5為MC9RS08KA2通用輸出端。MC9RS08KA2的簡單降壓變換器系統(tǒng)除具有HB-LED照明外，可以通過軟件流程實現(xiàn)亮度控制、電源電壓補償?shù)褥`活功能。
圖9基于微控制器的上照明驅(qū)動方案示意圖
4 結(jié)語：拓寬與前景
高功率LED照明用的顯著優(yōu)勢成為越來越多人的選擇。從應用的角度來看，小于25W的LED照明應用將逐漸滲透到便攜式手持產(chǎn)品(如PMP和MID)、閱讀臺燈、餐燈、床頭燈、標志燈、裝飾燈、格柵仃、汽車尾燈、汽車近光燈、汽車轉(zhuǎn)彎燈，甚至汽車信息娛樂顯示器。25W~100W的LED照明應用可在汽車前照燈、辦公室照明和建筑照明用途中找到用武之地。100W以上的LED照明應用將在大屏幕LCD-TV、高速公路、大型廣場、電視墻和工業(yè)照明中得到廣泛普及。
需要特別指出是，在應用上最近三原色(RGB)LED的改進，顯著改善了白色及彩色LED宇幕。紅綠藍(RGB)LED把紅、綠、藍三種顏色的芯片封裝在一起，能夠發(fā)出不同顏色的光。以前RGBLED發(fā)出的混色光非常不穩(wěn)定，而高功率LED驅(qū)動器成功解決了這一技術(shù)難題。最近，高功率的RGBLED比其它照明的靈活性更高。LED系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以和傳感器、其它照明控制器如調(diào)光器、日光控制器及動態(tài)光調(diào)節(jié)器連在一起使用。與此同時，人們還會把高功率LED應用到傳感器技術(shù)上實現(xiàn)自動開啟功能及紅外線LED技術(shù)領域，到時夜視系統(tǒng)將大大改善?！?/div>
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