LED供電電源原理解析及實際應用

　　半導體照明這一新興領域的出現(xiàn)，使同時專長于電力電子學、光學和熱管理學（機械工程）這三個領域的工程師成為搶手人才。目前，在三個領域都富有經(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域相關，同時他們還需盡可能與其他領域的工程師協(xié)作。系統(tǒng)工程師常常會把自己在原有領域養(yǎng)成的習慣或積累的經(jīng)驗帶入設計工作中，這和一個主要研究數(shù)字系統(tǒng)的電子工程師轉去解決電源管理問題時所遇到的情況相似：他們可能依靠單純的仿真，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仿真一致。

　　在設計LED燈具的過程中，當系統(tǒng)架構工程師是位電子電力專家，或者電源設計被承包給一家工程公司時，一些標準電源設計中常見的習慣就會出現(xiàn)在LED驅動器設計中。一些習慣是很有用的，因為LED驅動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。這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)。

　　電力電子工程師習慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度，但這對LED驅動器設計而言并不是很好的習慣。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)字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)字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)電源的設計習慣引入LED驅動器設計領域時，通常帶來的問題是：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器件，或者二者兼而有之。

　　成本壓力

　　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算范圍內(nèi)進行系統(tǒng)設計。在進行LED驅動器設計時也不例外，事實上它面對更大的預算壓力，因為傳統(tǒng)的照明技術已經(jīng)完全實現(xiàn)了商品化，其價格已經(jīng)非常低廉。所以，花好預算下的每一分錢都非常重要，這也是一些電力電子設計師工程師被老習慣“引入歧途”的地方。

　　要將LED電流的精確度控制到與數(shù)字負載的供電電壓的精度相同，則會既浪費電，又浪費成本。100mA到1A是當前大多數(shù)產(chǎn)品的電流范圍，特別是目前350mA（或者更確切地說，光電半導體結的電流密度為350mA/mm2）是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案?？刂芁ED驅動器的集成電路是硅基的，所以在1.25 V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。當控制輸出電壓時，可在極低功率下使用高精度電阻來反饋輸出電壓（如圖1a所示）。為控制輸出電流，需要對反饋方式做出一些調(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。

圖1a：電壓反饋；圖1b：電流反饋（點擊圖片查看高清原圖）

深入研究之后，就會發(fā)現(xiàn)這種做法的一個主要缺點是：負載和反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驅動集成電路的參考電壓要遠低于現(xiàn)在的產(chǎn)品，這類似于電池充電器。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所示的簡單的低端反饋環(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集成電路，此時相對于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?！?mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測試和分檔技術，此時，附加成本應花費在更智能的LED驅動器上。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）來控制如何驅動LED。

　　測量光輸出

　　就像數(shù)字產(chǎn)品設計師在電源設計中遇到不確定問題時會采取仿真解決問題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構師在進行LED燈具設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。利用相同的電流驅動所有LED，那么每個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。

圖2：光學積分球截面圖

　　另外，即使容差為±0.1%的電流源（其價格會相當高）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么作用。通過觀察LED光通量的分檔可以確定這一點。表1給出了世界三大頂級電力光電半導體制造商的高端冷白光LED在350mA和25？C條件下的光通量分檔結果。注意最后一列是各分檔的容差平均值，而不是所有光通量分檔范圍內(nèi)的容差。

表1 世界三大頂級電力光電半導體制造商的高端冷白光LED在350 mA和25？C下的光通量分檔結果。

　　計算光輸出精度

　　了解到來自單個通量分檔的LED光輸出會有±3%到±10%的容差之后，系統(tǒng)工程師可能會因此得出結論：驅動電流容差值必須是越嚴格越好。然而從統(tǒng)計學角度來看，該觀點并不正確。一個常見的但不正確的假設是：任何值的整體容差都等于最壞條件下各值的簡單累加。為LED供電的電流源的容差和LED光通量的容差是互不相關的 - 它們在最初階段就已相互獨立。對于不相關的兩個因子X和Y，整體容差Z并不是X和Y的容差之和，而是應該利用下述表達式進行計算：

表2和圖3給出了整體容差和假設電流源容差的對比情況，此時假設LED光輸出在350mA的區(qū)域內(nèi)隨前向電流呈線性變化。

表2 整體容差和假設電流源容差的對比情況

圖3：整體容差和假設電流源容差的對比情況

　　根據(jù)方程（1）可以發(fā)現(xiàn)，最低容差因子的作用大于其他，而且實際的整體容差值要遠優(yōu)于各個因子在最壞情況下的容差和，尤其是當其中一個因子遠好于其他因子時。由圖3可知，電流源容差的最合理目標是將其控制在LED光輸出的容差范圍內(nèi)。請記?。撼鲇诔杀究紤]，許多燈具會使用來自不同分檔的LED。表3列出了相同LED所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值。　

表3 相同LED所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值

　　調(diào)光控制

　　LED制造商和他們的分銷伙伴正努力地改進產(chǎn)品的光通量容差，在合理的成本范圍內(nèi)提供更細的分檔。對于那些希望產(chǎn)品可使用5年或50，000個小時，并在使用期內(nèi)保持整體光輸出不變的設計師而言，即使想滿足最密集的通量分檔和設定0.1%的容差電流源也很難實現(xiàn)。因為熱量和隨著時間延長而產(chǎn)生的性能衰減等兩個重要因素會降低LED的光通量，即使電流源容差和LED光通量容差都達到0.001%也無法解決該問題?？紤]到這些損耗，高質量固態(tài)照明產(chǎn)品設計師必須找到具有額外反饋回路的電源，也即找到熱量和光源。為此需要進行調(diào)光控制，那些可以對輸出電流進行線性控制和PWM控制的集成電路便成為最佳選擇。

　　例如，美國國家半導體的LM3409和LM3424都是LED驅動器控制IC，它們是適用于半導體照明的第二代電流源。兩款產(chǎn)品均可通過可變電阻器