高亮度LED的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用

雖然 LED 是電流器件--高亮度 LED 也不例外，但汽車尾燈、剎車、轉(zhuǎn)向信號(hào)照明等應(yīng)用場(chǎng)合仍能受益于電壓驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。

當(dāng)效率更高的 LED 可供使用時(shí)，零售店和住宅的LED室內(nèi)照明將可能很快出現(xiàn)。LED 制造商們只是剛剛開始解決高色溫光源問題。

由于高亮度 LED 制造工藝、器件設(shè)計(jì)、組裝技術(shù)三方面的進(jìn)展， LED 發(fā)光器的性能一直在提高，其成本一直在降低，性能提高和成本降低的速度都令人難忘。PN結(jié)設(shè)計(jì)、再輻射磷光體和透鏡結(jié)構(gòu)都有助于提高效率，因此也有助于提高可獲得的光輸出。就高輸出白光 LED 而言，寬光譜性能的提高使人對(duì)普通照明用的低維護(hù)高能效光源抱有希望。

雖然實(shí)現(xiàn)可與標(biāo)準(zhǔn)螢光燈媲美的 LED 效率還需要一段時(shí)間，但正如半導(dǎo)體照明行業(yè)協(xié)會(huì)主席 Yung S Liu 所說：“LED 燈也是比較環(huán)保的產(chǎn)品，因?yàn)樗c螢光燈不一樣，不使用水銀。”

固態(tài)照明在成分和工作效率方面的環(huán)保優(yōu)勢(shì)目前并不是主要的市場(chǎng)推動(dòng)因素，但確實(shí)使這種技術(shù)及其供應(yīng)商有了良好的形象。

與此同時(shí)，在各種領(lǐng)域工作的 OEM 設(shè)計(jì)師和推銷人員一直在擴(kuò)大固態(tài)照明的實(shí)際應(yīng)用范圍，并一直密切注視著市場(chǎng)的接受程度。然而，最終使用者在固體照明設(shè)備壽命內(nèi)的成本利益體驗(yàn)各不相同，這與傳統(tǒng)照明設(shè)備大相徑庭。這個(gè)事實(shí)使市場(chǎng)的價(jià)值觀變復(fù)雜化。與鎢絲燈泡和螢光燈泡相比，高亮度 LED 的使用成本和維護(hù)成本低得多，這就可以抵消 LED 較高的初始成本。盡管以上論述也許是很吸引人的，但卻令其在“價(jià)格第一，其他第二”思想傾向支配的消費(fèi)市場(chǎng)上造成很大的推銷難度。

燈夾具制造商歷來在各自設(shè)計(jì)中不考慮燈泡的熱管理，只是提供足夠?qū)α鱽泶_保鎢絲燈的高工作溫度不會(huì)帶來周圍材料失火危險(xiǎn)或夾具操作者灼傷危險(xiǎn)。這一事實(shí)使高輸出固態(tài)照明設(shè)備的大批量生產(chǎn)復(fù)雜化。然而，如果最終的設(shè)計(jì)是要使 LED 的光輸出和工作壽命最佳，則高亮度 LED 的夾具就需要一定的熱設(shè)計(jì)。

因此，雖然不會(huì)很快看到高亮度 LED 把傳統(tǒng)鎢絲燈或螢光燈從五金店和家庭中心貨架上擠出去，但這些器件正在打入汽車、交通控制、外部標(biāo)志等市場(chǎng)段，因?yàn)樵谒羞@些領(lǐng)域，燈的高效率和長壽命會(huì)增加顯而易見的價(jià)值。

高亮度 LED 斬露頭角

實(shí)際上，很少聽到有人在同一句話中使用“早期采用者”和“汽車市場(chǎng)段”兩個(gè)短語。一些人也許會(huì)斷言，這種并置會(huì)在矛盾修飾法中大行其道。然而，高亮度 LED 給汽車制造商帶來了幾個(gè)引人注目的特性，而且，雖然這種應(yīng)用比較新，但它們的基本特性多數(shù)來源于制造 LED 指示器--比它們老得多并且已得到了很好證明的類似產(chǎn)品--的相同原理和類似工藝。

LED 汽車尾燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、工作燈、剎車燈可克服鎢絲白熾燈固有的幾大缺點(diǎn)。汽車常常受到的中等程度沖擊和震動(dòng)會(huì)縮短燈絲壽命。同樣，由燈絲電阻正溫度系數(shù)引起的瞬間浪涌電流會(huì)加速燈泡的毀壞。熱回圈--剎車燈工作的一個(gè)重要特性，往往會(huì)縮短白熾燈壽命。

白熾燈泡的瞬間浪涌電流也使電路保護(hù)和故障檢測(cè)的任務(wù)變復(fù)雜化。汽車制造商必須把保險(xiǎn)絲額定值和故障檢測(cè)閾值設(shè)定到足夠大的電流值，才能適應(yīng)浪涌電流幅值和持續(xù)時(shí)間，而不會(huì)發(fā)生保險(xiǎn)絲燒斷故障或不會(huì)檢測(cè)到假故障。

相比之下，在汽車遭受典型振幅和頻率范圍內(nèi)的沖擊和震動(dòng)的情況下，LED 結(jié)構(gòu)比燈絲更牢固耐用。LED結(jié)構(gòu)的重量輕和尺寸小，從而可減少?zèng)_擊和震動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械力矩。LED 尺寸小，還使汽車設(shè)計(jì)師能夠把照明燈設(shè)計(jì)得體積較小，并將其設(shè)計(jì)成更符合汽車總體設(shè)計(jì)的要求。例如，一些汽車不是把 CHMSL（中間高位剎車燈）模組安裝在后蓋板上，而是利用 LED 所需體積小這一點(diǎn)，把該功能包含在后備箱蓋中。

汽車尾燈照明與控制系統(tǒng)提出了幾個(gè)有趣的問題，這些問題也會(huì)出現(xiàn)在控制器件和被控制器件彼此相距很遠(yuǎn)的其他系統(tǒng)中。LED 本質(zhì)上是電流器件。電子空穴對(duì)在場(chǎng)致發(fā)光化合物內(nèi)復(fù)合，并且在復(fù)合時(shí)發(fā)射光子。電流的增大會(huì)相應(yīng)提高復(fù)合速度和光通量輸出。這一過程的效率不是 100%（幾乎達(dá)不到100%），因此電流的增大還會(huì)通過功耗增加器件的自熱。除非工作條件惡劣，否則 LED 一般不會(huì)像鎢絲燈那樣發(fā)生災(zāi)難性故障，但卻往往會(huì)因老化而變暗。很多器件設(shè)計(jì)師把 LED 的壽命終止定義為光輸出降至初始值 50% 的時(shí)間。

過流和過熱條件會(huì)加快 LED 壽命終止，因此多數(shù)器件制造商建議 OEM 仔細(xì)控制 LED 的能源。

這些特性暗示，為了達(dá)到 LED 在汽車 CHMSL 或尾燈組件中的 11 年預(yù)期壽命，汽車車體控制模組應(yīng)該以恒定電流來操作各個(gè)器件。然而，正如 Analog Devices 公司汽車市場(chǎng)專家 Bill Reidel 所說，恒流設(shè)計(jì)使車體控制模組和燈元件之間的布線復(fù)雜化，并驅(qū)使設(shè)計(jì)師把功率控制 IC 從車體控制模組中取出，把它放入燈外殼中。恒壓驅(qū)動(dòng)能使控制 IC 保留在需要控制IC故障檢測(cè)狀態(tài)資訊的控制模組內(nèi)，而且能在同一設(shè)計(jì)中減少外部元件（即保險(xiǎn)絲）的數(shù)量以及控制模組和燈外殼之間的布線數(shù)量。

Texas Instruments 公司汽車應(yīng)用工程師 Keith Wolford 贊同地說：“LED 控制 IC 的功能之一就是保險(xiǎn)絲的功能。如果你把LED 驅(qū)動(dòng)器放置在燈外殼中，你就必須把電傳送到那個(gè)位置，并給LED 驅(qū)動(dòng)器裝保險(xiǎn)絲……而如果你有一個(gè)中央照明模組，則你必須做的僅僅是給連接該模組的電源饋線裝保險(xiǎn)絲。借助 LED 驅(qū)動(dòng)器的診斷功能，如果連接某個(gè)燈外殼的電線短路，你就能用電子設(shè)備來保護(hù)它，而不必為每條燈外殼連線裝保險(xiǎn)絲。”

Analog Devices 公司的 AD8240 LED 驅(qū)動(dòng)器/監(jiān)視器是這種方法的具體體現(xiàn)。該器件工作電流是 300mA，供電電壓范圍是 9V ~ 27V。 PWM 輸入控制著燈亮度，從而實(shí)現(xiàn)符合汽車規(guī)定的白天和夜晚不同最低亮度級(jí)。過流檢測(cè)電路由一個(gè)外部高壓側(cè)分流電阻器和一個(gè)片上比較器組成。如果分流電阻器兩端的電壓降超過參考電壓（一般是 5V），過流檢測(cè)電路就鎖住輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。鎖存器在每個(gè) PWM 周期之后會(huì)復(fù)位。

分流電阻器和外部 PNP 傳送元件限制最高負(fù)載電流。制造商建議的0.1Ω ~ 0.5Ω分流電阻范圍對(duì)應(yīng)于 2A ~ 0.4A 的最大負(fù)載電流?？刂颇＝M的微控制器通過一條 ADC 輸入通道來讀取 IC 檢測(cè)引腳的讀值，就能監(jiān)視負(fù)載電流。售價(jià)為1.15 美元（1000 件批量）的 AD8240能 檢測(cè)開路負(fù)載、短路和局部故障，如一串串聯(lián)LED中的一個(gè) LED 短路這種情形。這種驅(qū)動(dòng)器/監(jiān)視器IC采用 MSOP-8 封裝。

在需要低壓側(cè)控制器的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師可以考慮使用Melexis公司的 MLX10801，因?yàn)镸LX 10801采用 SO-8封裝，能在沒有外部傳送器件的情況下吸收550 mA絕對(duì)最大峰值電流和400 mA絕對(duì)最大平均電流。一種帶尾碼 A 的封裝選件采用帶熱襯墊的 MLPD-8 封裝，而所用裸芯片不變，從而把RΘJA從120K/W降低至37K/W。這種封裝改進(jìn)可使絕對(duì)最大峰值電流和絕對(duì)最大平均值電流分別提高至1.2A和750mA。

一根診斷引腳使本機(jī)微控制器能通過一個(gè)ADC通道來監(jiān)視負(fù)載電流。那些驅(qū)動(dòng)器/監(jiān)視器芯片多于ADC通道的設(shè)計(jì)可以求出接地電流之和，并且借助一根類比輸入引腳來監(jiān)視總接地電流。

Melexis 公司的 MLX10801 的特點(diǎn)是一組瞬態(tài)脈沖、 40V負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)以及不正常引發(fā)的欠壓條件，這些都是該器件必須承受的預(yù)期非標(biāo)準(zhǔn)工作條件。一個(gè)可程式設(shè)計(jì)非易失資料鎖存器使 OEM 能通過一個(gè)片上檢測(cè)二極管或外部檢測(cè)二極管來進(jìn)行溫度測(cè)量。一根控制輸入引腳可實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)光，這是 LED 驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)常見特性。使這一控制輸入引腳保持低電平32毫秒以上，就會(huì)迫使驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入睡眠模式，從而使其靜態(tài)電流從2mA減小至 105mA。使該控制輸入引腳保持高電平8mS，就可啟動(dòng)一個(gè)只持續(xù)300mS的喚醒序列。