LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 可為眾多照明應(yīng)用的發(fā)展起到引領(lǐng)作用

引言
在過(guò)去幾年，LED 市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)。隨著散熱、封裝和工藝方面取得的進(jìn)步，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更高的亮度、更高的效率、更長(zhǎng)的壽命和更低的成本。與白熾燈泡不同，LED 沒有會(huì)燒斷的燈絲，而且它們的工作溫度往往較低。此外，白熾燈泡還將 90% 的電能以熱量的形式白白浪費(fèi)掉了。順便說(shuō)一句，白熾燈泡的照明燈具設(shè)計(jì)之所以更像是散熱器 (而不是用于散播所產(chǎn)生之光線的外罩)，其原因就在于此。

大功率或高亮度 (HB) LED 的光輸出已經(jīng)超過(guò)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，有些制造商聲稱，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了 200 lm/W 的光輸出。那么顯然，在發(fā)光效率方面，LED 已經(jīng)超過(guò)了白熾燈 (典型的 60W 白熾燈光輸出大約為 14 lm/W)?；蛘邠Q一種說(shuō)法，一個(gè)光源的光輸出量 (用流明來(lái)衡量) 與產(chǎn)生該光輸出所消耗的功率 (以瓦來(lái)衡量) 之比。即便如此，人們?nèi)匀活A(yù)計(jì)，在未來(lái)一年，具 150 lm/W 光輸出的 LED 將能在市面上方便地買到。另一個(gè)好處是 LED 的壽命。視計(jì)算方式的不同，一個(gè)白光 LED 燈至少有三萬(wàn)五千小時(shí)的壽命，有些甚至聲稱能長(zhǎng)達(dá) 10 萬(wàn)小時(shí)，而白熾燈的壽命大約為 1000 小時(shí)。為了正確理解這一點(diǎn)，來(lái)做一下如下計(jì)算，如果你每天使用一個(gè) LED 燈 10 小時(shí)，那么該 LED 燈應(yīng)該能持續(xù)使用 9 年半時(shí)間，與標(biāo)準(zhǔn)白熾燈可憐的 1/3 年大相徑庭！

高亮度 LED 照明的成本也已經(jīng)非常迅速地下降了。過(guò)去幾年，單個(gè)白光二極管的價(jià)格已經(jīng)下降，今天價(jià)格已經(jīng)不到 1 美元了，一個(gè) LED 燈中有幾個(gè)這樣的二極管，這些二極管的成本占 LED 燈成本的大部分。很多 LED 行業(yè)分析師預(yù)測(cè)，今年，取代白熾燈的 LED 燈的價(jià)格將達(dá)到消費(fèi)者可接受的程度。有些 LED 制造商宣布，已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一些發(fā)光芯片，能使 LED 燈產(chǎn)生與大多數(shù)家庭中常見的 75W 白熾燈相媲美的光輸出。這類 LED 芯片通常僅需要大約 9W 功率，就能產(chǎn)生同樣的光輸出量。與光輸出量相同的白熾燈相比，9W 功率連其 1/8 都不到。不過(guò)，很少有人認(rèn)識(shí)到，這些效率超乎尋常的 LED 燈的關(guān)鍵之處是，在 LED 燈內(nèi)驅(qū)動(dòng) LED 所需的電路。令人難以置信的是，這種電路的核心是模擬 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC。

今天，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須具有的一個(gè)主要的性能特點(diǎn)是能充分地對(duì) LED 調(diào)光。既然 LED 是用恒定電流驅(qū)動(dòng)的，且 DC 電流值與 LED 亮度成正比，那么要通過(guò)控制 LED 電流來(lái)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，采用這種方法時(shí)，LED DC 電流值隨恒定 LED 電流值的降低成正比降低。降低 LED 電流可能引起 LED 色彩的變化，或者 LED 電流控制不準(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，以這種頻率切換，人眼是察覺不到的。PWM 調(diào)光的占空比與 LED 亮度成正比，而在接通時(shí) LED 電流保持相同的值 (如 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 所設(shè)定)，從而在高調(diào)光比時(shí)保持了恒定不變的 LED 色彩。這種 PWM 調(diào)光方法在某些應(yīng)用中使用時(shí)，能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 30,000:1 的調(diào)光比。

尤其在驅(qū)動(dòng)高亮度 LED 的情況下，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須憑借既滿足輸入電壓范圍又滿足所需的輸出電壓及電流要求的轉(zhuǎn)換拓?fù)洌瑸楹芏嗖煌愋偷?LED 配置提供充足的電流和電壓。一個(gè)值得注意的例外是離線式 LED 應(yīng)用，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)：

A.寬輸入電壓范圍 ─ 高達(dá) 100V
B.寬輸出電壓范圍 ─ 高達(dá) 100V
C.高效率轉(zhuǎn)換 ─ 高達(dá) 98%
D.嚴(yán)格調(diào)節(jié)的 LED 電流匹配 ─ 隨溫度變化不到 5%
E.低噪聲、恒定頻率工作 ─ 高達(dá) 2.5MHz
F.獨(dú)立的電流和調(diào)光控制
G.寬調(diào)光范圍比 ─ 30,000:1
H.多種轉(zhuǎn)換拓?fù)?，包括降壓型、升壓型、降?升壓型和 SEPIC
I.很多保護(hù)功能，例如對(duì) LED 串開路和 LED 引腳至 VOUT 短路的保護(hù)以及準(zhǔn)確的欠壓閉鎖門限
J.占板面積緊湊并需要最少外部組件的小型解決方案

汽車采用高亮度 LED 的例子
毫無(wú)疑問(wèn)，大部分汽車前燈仍然還是白熾燈。不過(guò)，白熾燈這種主導(dǎo)地位已經(jīng)開始面臨來(lái)自高強(qiáng)度放電 (HID) 燈和高亮度 LED 燈的壓力。高強(qiáng)度放電燈包括所有用在普通照明應(yīng)用中的高強(qiáng)度放電燈，例如高壓水銀蒸氣燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈以及金屬鹵化物燈。要在室內(nèi)、建筑物或室外空間為工作或生活環(huán)境照明，普通照明光源已經(jīng)足夠亮了。這類環(huán)境照明包括住宅照明、商業(yè)和工業(yè)照明、路燈以及汽車前燈。高強(qiáng)度放電氙燈是第一種用于汽車前燈的高強(qiáng)度放電燈，于 20 世紀(jì) 90 年代推出。不過(guò)，這類燈的生產(chǎn)制造成本非常高，因此它們的使用一直僅限于高檔汽車。由于最近高亮度 LED 燈的推出，未來(lái)這類高強(qiáng)度放電氙燈的使用將會(huì)迅速減少。因此，未來(lái) 10 年高亮度 LED 前燈的增長(zhǎng)率將是最高的。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大障礙之一是，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 的所有特色和優(yōu)勢(shì)。既然 LED 一般需要一個(gè)準(zhǔn)確和高效率的電流源和一種給 LED 調(diào)光的方法，那么 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 就必須設(shè)計(jì)為在種類繁多的工作條件下滿足這些要求。此外，LED 的電源解決方案必須是高效率、堅(jiān)固及可靠的，同時(shí)還必須非常緊湊并具有高成本效益。

可以說(shuō)，就驅(qū)動(dòng) LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用之一將是前燈系統(tǒng) (由遠(yuǎn)光燈和近光燈、白天行車燈、霧燈以及轉(zhuǎn)向信號(hào)燈組成)，因?yàn)榍盁籼幱趪?yán)酷的汽車電氣環(huán)境中，同時(shí)還必須適應(yīng)多種溫度條件的變化。而且，前燈必須總是能裝進(jìn)非常受限的空間中，成本結(jié)構(gòu)也要有吸引力。

面向汽車前燈的新型 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC
凌力爾特公司最近推出的 LT3791 是一款 4 開關(guān)同步降壓-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)汽車前燈應(yīng)用中的高亮度 LED。控制器用高于、低于或等于輸出電壓的輸入電壓工作。該器件具 4.5V 至 60V 的寬輸入電壓范圍和 0V 至 60V 的輸出電壓范圍，同時(shí)還可以在工作模式之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換。此外，其獨(dú)特的同步降壓-升壓型拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)高達(dá) 98% 的工作效率，這可極大地減小因功耗產(chǎn)生熱量而所必需之散熱器的尺寸和重量。

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

以地為基準(zhǔn)的電壓反饋引腳 (FB) 充當(dāng)幾種 LED 保護(hù)功能的輸入，并使轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源運(yùn)行，參見圖 1。該器件還提供故障保護(hù)，以在出現(xiàn) LED 開路或短路的情況下不被損壞，并發(fā)布故障報(bào)告，同時(shí)當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，定時(shí)器允許 LT3791 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中采用了電流檢測(cè)電阻器。

高亮度 LED 在工業(yè)應(yīng)用的例子
還有其他一些最終市場(chǎng)應(yīng)用對(duì)大功率高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器有自己獨(dú)特的需求，在這類應(yīng)用中，LED 電流必須高于 10A。這類應(yīng)用包括 DLP 投影機(jī)、激光器和建筑照明。不過(guò)，提供高于 10A 的電流可能帶來(lái)很多設(shè)計(jì)問(wèn)題，其中非常重要的問(wèn)題是，最終產(chǎn)品本身的熱量管理！為此，凌力爾特開發(fā)了獨(dú)特的 LED 驅(qū)動(dòng)器，以專門滿足這類應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求。

LT3743 是一款降壓型同步 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，用來(lái)提供恒定電流，以驅(qū)動(dòng)大電流 LED。該器件可提供高達(dá) 20A 的連續(xù) LED 電流，或高達(dá) 40A 的脈沖 LED 電流。LT3743 的獨(dú)特設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 3 態(tài)電流控制，這使該器件非常適用于 DLP 投影機(jī)所需的色彩混合應(yīng)用。該器件還提供非?？?(2us) 的電流轉(zhuǎn)換時(shí)間，優(yōu)化了色彩混合分辨率，并允許在激光驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中產(chǎn)生非?？斓碾娏髅}沖。

LT3743 具 5.5V 至 36V 的輸入電壓范圍，從而非常適用于多種應(yīng)用，包括工業(yè)、DLP 投影和建筑照明。LT3743 用標(biāo)稱 12V 輸入提供高達(dá) 20A 的連續(xù) LED 電流，從而可提供超過(guò) 80W 的功率。在脈沖式 LED 應(yīng)用中，該器件可用 12V 輸入提供高達(dá) 40A 的 LED 電流，或 160W 峰值功率。高達(dá) 95% 的效率使得無(wú)需任何外部散熱措施，而且極大地簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)。頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能在 100kHz 至 1MHz 范圍設(shè)定頻率，這樣設(shè)計(jì)師就可以優(yōu)化效率，并能最大限度地減少外部組件的尺寸。結(jié)合 4mm x 5mm QFN 或耐熱增強(qiáng)型 TSSOP-28 封裝，LT3743 提供了非常緊湊的大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案。參見圖 2，以了解提供 20A LED 電流的典型應(yīng)用原理圖。

圖 2：提供 20A LED 電流的 LT3743 典型應(yīng)用原理圖

LT3743 提供 PWM 和 CTRL_SELECT 調(diào)光，在 3 種 LED 電流時(shí)，實(shí)現(xiàn) 3000:1 的調(diào)光能力，從而非常適用于 DLP 投影機(jī)中所需的那類色彩混合應(yīng)用。類似地，LT3743 獨(dú)特的拓?fù)涫蛊淠芤圆坏?2us 的時(shí)間在兩個(gè)穩(wěn)定的 LED 電流值之間轉(zhuǎn)換，從而可在 RGB 應(yīng)用中提供更準(zhǔn)確的色彩混合。LT3743 保持 ±6% 的 LED 電流準(zhǔn)確度，以確保 LED 提供最準(zhǔn)確的光輸出度。其他特點(diǎn)包括輸出電壓調(diào)節(jié)、LED 開路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和熱降額電路。

結(jié)論
毫無(wú)疑問(wèn)，高亮度 LED 能有廣泛的應(yīng)用，因?yàn)榕c白熾燈相比，高亮度 LED 具固有的高功率效率和長(zhǎng)工作壽命，所以很多設(shè)計(jì)師正在轉(zhuǎn)向高亮度 LED。顯然，就任何給定應(yīng)用而言，選擇合適的 LED 以提供所希望的光輸出是設(shè)計(jì)師的責(zé)任。然而，可以極大提升總體設(shè)計(jì)的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 常常被忽視。幸運(yùn)的是，凌力爾特等制造商很早前就認(rèn)識(shí)到這需求，而且已經(jīng)通過(guò)推出革命性的 IC，奮起迎接了這一挑戰(zhàn)，這些 IC 兼有豐富的功能和性能特點(diǎn)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的選擇工作變得更容易了。因此，無(wú)論最終應(yīng)用來(lái)自汽車、工業(yè)或其他領(lǐng)域，都有望變得更好!