如何正確測量LED供電電源

就普通照明而言，LED技術(shù)已經(jīng)可以滿足生產(chǎn)高品質(zhì)燈具的要求，但是具體生產(chǎn)高品質(zhì)LED燈具時，則需要掌握電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)等三個領(lǐng)域的知識。很少有同時精通於三個領(lǐng)域的工程師，而如果電源工程師還負責(zé)系統(tǒng)架構(gòu)時，他多半會將更多精力放在控制輸出電流的精確度上。毫無疑問，精確度非常重要，但當(dāng)我們的最終產(chǎn)品是一個燈具時，它發(fā)出的光的品質(zhì)才是我們所關(guān)心的重點所在。本文重點探討了如何對LED驅(qū)動電流進行嚴格控制，因為當(dāng)我們關(guān)心輸出光品質(zhì)時，對LED驅(qū)動電流的控制將會成為影響LED電源成本的重要因素。為了使用於LED供電電源設(shè)計的每分錢都充分發(fā)揮作用，我們在本文中提出了一個最佳方案——封閉實際光輸出的控制回路。

半導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn)，使同時專長於電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)(機械工程)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原領(lǐng)域養(yǎng)成的習(xí)慣或積累的經(jīng)驗帶入設(shè)計工作中，這和一個主要研究數(shù)位系統(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同：他們可能依靠單純的模擬，不在試驗臺上對電源做測試就直接在電路板上布線，因為他們沒有認識到：開關(guān)穩(wěn)壓器需要仔細檢查電路板布局;另外，如果沒有經(jīng)過試驗臺測試，實際的工作情況很難與模擬一致。

在設(shè)計LED燈具的過程中，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位元電子電力專家，或者若電源設(shè)計被承包給一家工程公司時，一些標準電源設(shè)計中常見的習(xí)慣就會出現(xiàn)在LED驅(qū)動器設(shè)計中。一些習(xí)慣是很有用的，因為LED驅(qū)動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。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)慣於總想確保輸出電壓或電流的高精確度，對LED驅(qū)動器而言并不是很好的習(xí)慣。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)位負載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴格的控制，以防止出現(xiàn)較高的誤碼率。因此，數(shù)位電源軌的公差通常會控制在±1%以內(nèi)或比它們的標稱值小，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)計習(xí)慣引入LED驅(qū)動器設(shè)計領(lǐng)域時，帶來的問題就是：為了實現(xiàn)對輸出電流公差的嚴格控制，將浪費更多的電力并使用更昂貴的元件，或者二者兼而有之。

善用每一分預(yù)算

理想的電源是成本不高，效率能達到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)進行系統(tǒng)設(shè)計。在進行LED驅(qū)動器設(shè)計時也不例外，事實上它面對更大的預(yù)算壓力，因為傳統(tǒng)的照明技術(shù)已經(jīng)完全實現(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)位負載的供電電壓的精度相同，則會既浪費電，又浪費錢。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。控制LED驅(qū)動器的積體電路是矽基的，所以在1.25V的范圍內(nèi)有一個典型的帶隙。要在1.25V處達到1%的容差，亦即需要±12.5mV的電壓范圍。這并不難實現(xiàn)，能達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回饋輸出電壓(如圖1a所示)。為控制輸出電流，需要對回饋方式做出一些調(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。

深入研究之後，就會發(fā)現(xiàn)這樣做的一個主要缺點是：負載和回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)動積體電路的參考電壓要遠低於現(xiàn)在的產(chǎn)品，這類似於電池充電器。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所示的簡單的低端回饋環(huán)境下，200mV是常規(guī)的電壓選擇。但是，要在200mV參考電壓下實現(xiàn)±1%的容差，則需要一個價格很高的積體電路，此時相對於標稱參考電壓的容差為±2mV。盡管這并不是不可能實現(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)、測試和分級技術(shù)，此時，附加成本應(yīng)花費在更智慧的LED驅(qū)動器上。新的費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)位產(chǎn)品設(shè)計師在電源設(shè)計中遇到不確定問題時會采取模擬解決問題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構(gòu)師在進行LED燈具設(shè)計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，那麼每個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。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。

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，它對在實際光輸出中產(chǎn)生嚴格的容差值上沒有什麼作用。透過觀察LED光通量的分級可以確定這一點。表1給出了世界三大頂級電力光電半導(dǎo)體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結(jié)果。注意最後一列是各分級的容差平均值，而不是所有光通量分級范圍內(nèi)的容差。

全球前二大光電半導(dǎo)體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結(jié)果

計算光輸出精度

了解到來自單個通量分級的LED光輸出會有±3%到±10%的容差之後，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格越好。然而從統(tǒng)計學(xué)角度來看，該觀點并不正確。一個常見的但不正確的假設(shè)是：任何值的整體容差都等於最壞條件下各值的簡單加總僅。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立。對於不相關(guān)的兩個因數(shù)X和Y，整體容差Z并不是X和Y的容差之和，而是應(yīng)該利用下述運算式進行計算：

光輸出整體容差與電流源容差的對比

整體容差和一列假設(shè)電流源容差的對比

根據(jù)方程1可以發(fā)現(xiàn)，最低容差因數(shù)的作用大於其他，而且實際的整體容差值要遠優(yōu)於各個因數(shù)在最壞情況下的容差的和，尤其是當(dāng)其中一個因數(shù)遠好於其他因數(shù)時。觀察圖3，電流源容差的最合理的目標是將其控制在LED光輸出的容差范圍內(nèi)。記住一點：出於成本考慮，許多燈具會使用來自不同分級的LED。

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