高功率驅動IC把關電壓/電流提升照明可靠度
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2013年3月出現(xiàn)很多與發(fā)光二極體(LED)相關的新聞事件，這并不是偶然，實際上是源自多年以來業(yè)界共同努力的累積以及眾多協(xié)同技術的突破，讓LED產(chǎn)品逐步被市場接受。
第一則新聞來自于科銳(CREE)，這是一家知名的LED照明和半導體產(chǎn)品制造商。他們推出了一個顛覆傳統(tǒng)的LED燈泡系列，并且相信這系列的零售價位將提高其客戶的產(chǎn)品接受度。該公司聲稱新型Cree燈泡系列的設計壽命達25,000小時，零售價格為12.97美元，可用于取代60瓦(W)暖光照明白熾燈泡，其耗電相較于傳統(tǒng)白熾燈節(jié)省84%。此外，對于消費者來說更重要的是，Cree還聲稱如果把家中五個最頻繁使用的白熾燈泡更換為Cree的LED燈泡，消費者每年能節(jié)省的電費高達61美元(折合新臺幣約1,780元)。
不僅如此，Cree還進一步拓展行銷通路，讓家得寶(The Home Depot)連鎖店成為此類LED燈泡的獨家供貨管道，此舉可以確保一般大眾能夠在離家很近的地方購買這些LED燈泡，并能夠得到充足的供應來源。
第二則新聞則是著名的舊金山海灣大橋(San Francisco Bay Bridge)的懸掛區(qū)塊，在過去18個月里，照明設計公司從橋塔和懸索的頂端到橋面共懸掛兩萬五千顆LED燈。該專案由一家名為BayLights的公司負責推動，該公司創(chuàng)立不斷變化和更替的演算法使LED照明充滿活力，該公司對每盞燈進行個別控制，讓其產(chǎn)生的照明圖案在2年的專案期內將是獨一無二。照明系統(tǒng)由飛利浦(Philips)子公司色彩動力(Color Kinetics)開發(fā)，其設計耗電較傳統(tǒng)(非LED型)解決方案減少85%。該專案由Philips Color Kinetics提供的專用LED是具有4,200K相關色溫的eWFlexSLX產(chǎn)品。
上述這兩個事件展現(xiàn)LED照明輸出(以每瓦流明(lm/W)來衡量)領域技術的進步，以及因LED燈泡安裝壽命長，所帶來的年度電能節(jié)省效果而帶來的商業(yè)性。
LED燈泡具多重優(yōu)勢逐步取代CFL/白熾燈泡
毫無疑問的，過去10幾年來，LED技術獲得了長足進展，其亮度更高、效率也愈來愈好、使用時間更長，同時成本亦不斷降低，這些都源自散熱、封裝和工藝的進步。與白熾燈泡不同的是，LED沒有燈絲，不會燒壞，并且是發(fā)出較冷的光。
大功率、高亮度(HB)LED輸出光已經(jīng)超越關鍵里程碑100lm/W，有的制造商宣布在實驗室中已可制造大于230lm/W的輸出光。另一個優(yōu)點是LED的使用壽命長，白色LED燈泡使用壽命至少是5萬小時，然而，白熾燈的壽命大約是1,000?2,000小時。
LED照明市場快速成長的主要原因是LED照明耗電相對于傳統(tǒng)照明大幅度降低。與白熾燈照明相比，LED照明不到20%的用電量就能夠提供同樣的亮度(以流明表示)。正如表1所示，LED照明有很多優(yōu)點，但是也有一些缺點。LED照明的優(yōu)點包括使用壽命比白熾燈遠高出幾個層級，大幅度降低換燈泡的成本。LED燈泡使用舊有的交流矽控整流器(Triode for Alternating Current,TRIAC)調光器便能夠調光，這也是LED燈泡一個很大的優(yōu)勢，特別是在取代型燈泡應用中。
高功率驅動IC把關電壓/電流 LED照明系統(tǒng)可靠度提升
不僅如此，LED燈能夠即時點亮，不像節(jié)能螢光燈(CFL)需要預熱時間，而LED燈對功率周期不敏感，這也與節(jié)能螢光燈不同。最重要的是，LED照明裝置不含任何有害材料，所以不須要處理或棄置這些有害物質，而節(jié)能螢光燈則采用有害的水銀氣體才能工作。最后，LED燈泡可以實現(xiàn)非常小的外形封裝，而其他燈泡卻做不到。
以上種種因素造就LED燈泡可用在多種商業(yè)應用的優(yōu)勢，例如工廠的頂棚照明、大橋和大樓的室外建筑照明，以及體育場和其他大型活動場地等照明應用。
選擇適用驅動ICLED受損害風險降低
LED是一個電氣等效(ELectrical Equivalent)的二極體，嚴格說來，它便是由電流驅動的元件。若以合適的電流驅動LED，即可獲得一定的發(fā)光效率(lm/W)。若供電電流過小，LED燈泡就無法提供全光輸出。對于單個LED燈泡而言，這看起來不是大問題，但是如果同時有很多LED燈泡串聯(lián)起來，在沒有均勻的電流支援下，輸出光將會有明顯的變化。
當然，LED燈泡還須要克服固有的正向電壓降，這與LED類型以及終端裝置的配置有關。對于白光LED，其正向電壓降大約是3.5伏特(V)，但是在高溫時會大一些。結果顯示，LED正向電壓降與輸入電源有關。在不同的LED鏈配置下，例如，串聯(lián)(LED正向電壓降累積)、并聯(lián)(LED電流累積)，或者串聯(lián)起來的多個并聯(lián)鏈(LED正向電壓和電流累積)，LED正向電壓需要多種轉換架構，不過，這將會使整體電路更加復雜。
以上簡單敘述LED燈泡正常工作時需要什么條件，那么，如果出現(xiàn)對其工作或者驅動積體電路(IC)電流工作有不利影響的因素，結果會如何呢?
答案是，會對LED燈輸出亮度產(chǎn)生不利影響，甚至導致嚴重的后果。這些事件包括過壓(在開路LED事件時會出現(xiàn))以及過電流事件(在短路或者重新插拔LED鏈時會出現(xiàn))。當然，較差的散熱環(huán)境也會對LED燈使用壽命產(chǎn)生不利影響，因此，良好的散熱設計也非常關鍵。
這就顯示了哪些因素會損害LED，甚至導致LED及其驅動電路失效。在這些知識基礎上，照明系統(tǒng)設計人員應審慎考量LED燈泡設計技術，特別是LED驅動電路的元件選擇標準等，從而保護LED不受損害。以下詳述各大關鍵因素。
為LED提供穩(wěn)定電流
LED驅動IC非常關鍵，因為該元件要面對各種各樣的輸入電源，隨著應用領域的不同，LED驅動IC設計也各不相同，以把輸入電源轉化成所需要的電壓和電流，實現(xiàn)最佳的LED性能。過壓或過流都會對LED使用壽命或光輸出造成不利影響，因此，電壓和電流越穩(wěn)定，系統(tǒng)就越可靠。所以，±5%范圍內的穩(wěn)壓和穩(wěn)流有利于延長LED使用壽命，減少使用故障。
LED驅動電路須應對異常瞬變電壓
為保護LED不受過壓的影響，首先須要求LED驅動IC能夠處理比正常工作時更大的瞬變電壓。汽車應用環(huán)境是一個很好的實例，其負載突降時會達到42伏特，甚至更高。
保護LED不受過熱影響
LED照明裝置一般較小，沒有空間設置散熱片，甚至沒有風扇進行空氣對流散熱，因此，須要通過傳導來處理大部分散熱需求。業(yè)界在設計構思階段就須要考慮良好的散熱功能，在此，使用轉換效率非常高的LED驅動IC也會有很大的幫助。驅動IC轉換效率愈高，轉換的能量損失就愈小，產(chǎn)生的熱量也就愈少，因此，效率90%以上的LED驅動IC將有助于實現(xiàn)良好的散熱設計。
有助于散熱的另一個方法，是在LED中采用晶片內溫度感測器，如果由系統(tǒng)控制器來監(jiān)視此溫度訊號，那么，控制器便可對系統(tǒng)總電流進行節(jié)流，從而減少熱量的產(chǎn)生。當然，這樣的代價是降低光輸出，但這會比整個系統(tǒng)失效好得多。故障狀態(tài)消失后，便可恢復正常工作。
最后，LED所采用的這些散熱方法也可以擴展應用到LED驅動IC，在整個系統(tǒng)層級采用這些方法也是個不錯的主意。
以下以業(yè)界高功率LED驅動IC(圖1)為例，其具有相當精密的降壓升壓LED控制器，無論輸入電壓高于、低于還是等于輸出電壓，驅動IC都能實現(xiàn)固定輸出電壓。另外，與復雜低效的單端初級電感轉換器(Single-endedPrimaryInductorConverter,SEPIC)不同的是，此四路開關同步單電感架構不僅簡化了轉換器設計，而且還提高工作效率，從而降低熱耗。
圖1使用高轉換效率LED驅動器的100瓦LED驅動電路，峰值效率高達98.5%
從圖1的100瓦照明驅動IC原理圖可以看出，在整個輸入電壓范圍內，輸出電壓/電流達到33.3伏特/3安培(A)時的轉換效率高達96%。
該LED驅動IC的關鍵特性包括高達60伏特的寬廣輸入和輸出工作電壓范圍。為能夠在燈鏈上實現(xiàn)最佳和均勻的LED輸出光，該顆驅動IC還在線路、負載和溫度變化時，提供非常嚴格的±2%輸出電壓精度，以及±6%的LED電流精度和±6%輸入電流精度。
為方便使用，LED驅動IC使用者可采用脈沖寬度調變(PWM)或類比調光，而四路開關升降壓架構不僅實現(xiàn)模式之間的無縫轉換，而且，在所有的模式中帶給LED的雜訊都非常低，包括VOUT接近于VIN的直通模式，這是很難做到的，尤其在這模式期間會出現(xiàn)負載瞬變事件。另外，為提高系統(tǒng)性能和可靠性，更提供輸入和輸出電流調節(jié)功能。此元件將應用于周圍溫度變化較大的環(huán)境中，因此，高階LED驅動IC更提供-40℃?+150℃之間的工作接面溫度范圍。
LED效率與其商業(yè)價格優(yōu)勢相結合，使其提供超越許多照明應用的特性。本文一開始時提出的兩個例子，只是目前世界大量實際應用的一小部分，現(xiàn)在LED照明時代已經(jīng)來臨。
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