LED 前景光明

　　背景

　　在種類繁多的照明應(yīng)用中，LED 的采用勢頭持續(xù)強(qiáng)勁。這種始終如一的強(qiáng)勁勢頭意味著，提供LED 驅(qū)動(dòng)器IC 的模擬IC 供應(yīng)商會(huì)有良好的業(yè)務(wù)勢頭。在過去一年中，高亮度(HB) LED 達(dá)到了一些關(guān)鍵的性能標(biāo)準(zhǔn)，這導(dǎo)致對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)器IC 需求的大幅增長，這類IC 是在所有最終市場應(yīng)用中為LED 供電所必需的。

　　對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)器IC 的需求目前處于后萌芽階段，通過研究幾種將使該需求進(jìn)入加速增長階段的促進(jìn)因素，我們發(fā)現(xiàn)，LED 顯然將迅速成為主流照明源。一些主要的驅(qū)動(dòng)因素是：汽車照明、大型平板高清(HD) LCD電視機(jī)、手持式設(shè)備、LED 光輸出、LED 的成本因素、以及LED 取代白熾燈這種潛在用途。

　　奧迪公司是第一家在多種車型中使用LED 前燈的汽車制造商，早在2008 年就開始使用了。奧迪的汽車照明系統(tǒng)包含兩個(gè)起主要作用的近光前燈，該系統(tǒng)由兩個(gè)LED 陣列組成，每個(gè)LED 陣列都含有4 個(gè)有源組件。另外3 個(gè)LED 陣列(每個(gè)含有兩個(gè)LED IC) 位于光學(xué)透鏡的后面，它們的任務(wù)是控制明/ 暗分界線和前燈照明范圍。就遠(yuǎn)光前燈而言，4 個(gè)LED 陣列位于與近光陣列相鄰的地方?？拷彰飨到y(tǒng)的下邊緣，一排24 個(gè)LED 組成白天行車燈(DRL)。不過，正是這些白天行車燈使奧迪汽車外觀新穎和令人興奮，奧迪汽車的外觀非常受購車一族的歡迎。不久以后，很多其他制造商都跟風(fēng)而上，奔馳(Mercedes)、捷豹(Jaguar)、雷克薩斯(Lexus) 和保時(shí)捷(Porsche) 等等，也都提供類似的白天行車燈了。

　　而LED 前燈系統(tǒng)在采用上卻落后了，這主要是成本原因。不過，2011 年出現(xiàn)的一些早期跡象似乎表明這種狀況將開始發(fā)生變化，因?yàn)槭聦?shí)上，LED 允許設(shè)計(jì)時(shí)更加靈活地進(jìn)行選擇，同時(shí)LED 效率的提高使成本/性能得到了更有利的平衡。因此，現(xiàn)在我們看到，凱迪拉克(Cadillac)、豐田(Toyota) 和雷克薩斯(Lexus) 的各種車型都將LED 前燈作為可選配件提供。例如，凱迪拉克凱雷德(Cadillac Escalade)、雷克薩斯LS600H(Lexus LS600H)和豐田普銳斯(Toyota Prius)，都可以選配LED 前燈。

　　LED 驅(qū)動(dòng)器IC 用來驅(qū)動(dòng)給高清平板電視機(jī)提供背光照明的LED 時(shí)有很多優(yōu)勢。這些IC 使LED 驅(qū)動(dòng)器電路解決方案能做到纖巧、緊湊和扁平。這些IC 還以高開關(guān)頻率工作，以在基于充電泵的拓?fù)渲袦p小輸出電容器的電容值、尺寸和成本。在基于電感器的DC/DC 開關(guān)拓?fù)渲?，這種高開關(guān)頻率減小了電感器和輸出電容器的值、尺寸和成本。此外，在有些情況下，LED 驅(qū)動(dòng)器IC 可能包括內(nèi)置的肖特基二極管和升壓二極管，因此減少了外部組件的數(shù)量。這反過來又減小了設(shè)計(jì)復(fù)雜性、解決方案尺寸和成本。

　　從運(yùn)動(dòng)圖像模糊到彩色再現(xiàn)，LCD 高清電視機(jī)(HDTV) 有各種缺點(diǎn)。也就是說，就目前一代LCD HDTV 而言，無法實(shí)現(xiàn)真正的黑色，而且所有顏色的動(dòng)態(tài)范圍都較低。傳統(tǒng)的HDTV 是用CCFL 管進(jìn)行背光照明的，僅能提供450 至650cd/m2的對(duì)比度。這些HDTV 的主要問題是，CCFL 背光照明不能徹底關(guān)斷或局部地調(diào)光。

　　相反，如果采用高亮度LED 背光照明，那么背光照明“群”中的LED 陣列(就46 英寸顯示器而言，多達(dá)1,600 個(gè)LED) 可以局部調(diào)光或關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)比CCFL 設(shè)計(jì)幾乎高一個(gè)數(shù)位級(jí)的對(duì)比度(>4,000cd/m2)。此外，通過調(diào)整背光照明LED 群的亮度，可以再現(xiàn)更多中間色調(diào)的顏色，從而使畫面更加生動(dòng)。另一個(gè)好處是，能徹底地局部關(guān)斷LED，從而減輕了運(yùn)動(dòng)圖像模糊問題。通過在幀之間徹底關(guān)斷LED，幾乎消除了與快速運(yùn)動(dòng)物體有關(guān)的圖像模糊問題。此外，在解決CCFL 背光照明LCD 電視機(jī)平常遇到快速運(yùn)動(dòng)圖像模糊問題時(shí)，LED 非常高的響應(yīng)速度就至關(guān)重要。

　　今天很多移動(dòng)電話有內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)功能，能拍攝高分辨率靜止圖像和視頻。相機(jī)性能的提高也導(dǎo)致需要大功率白光光源，以在室內(nèi)或在昏暗的環(huán)境光線條件下使用相機(jī)。在配備相機(jī)的蜂窩電話中，白光LED 已經(jīng)成為主要的光源，因?yàn)榘坠釲ED 擁有新式蜂窩電話設(shè)計(jì)師所希望的各種特點(diǎn)：小尺寸、大的光輸出、能提供“閃光燈”和連續(xù)“視頻”物體照明。目前已經(jīng)開發(fā)出專門用作集成式相機(jī)光源的大輸出功率LED。

　　類似地，幾乎任何電池供電的消費(fèi)類手持式設(shè)備都用彩色有源矩陣LCD 來顯示用戶所需的不同類型信息和數(shù)據(jù)。然而，制造商面臨的挑戰(zhàn)是，確保用戶在任何類型的環(huán)境中都能從這些顯示屏上讀取信息。為了達(dá)到這個(gè)目的，制造商必須提供具恰當(dāng)背光照明量的彩色LCD。這種背光照明通常由白光LED 提供，視顯示屏尺寸的不同而有所不同，白光LED 采用了各種不同的組合形式。這反過來又導(dǎo)致了對(duì)緊湊、高效率和低噪聲LED 驅(qū)動(dòng)器IC 的需求，因?yàn)樾枰@類驅(qū)動(dòng)器IC 為白光LED 供電。

　　促進(jìn)LED 市場增長的重要因素

　　大功率或高亮度LED 的光輸出已經(jīng)超過每Watt 100 流明這個(gè)關(guān)鍵的里程碑，甚至有些制造商自稱，在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)達(dá)到了每Watt 200 流明。這意味著，就能效而言，LED 現(xiàn)在已經(jīng)超過了CFL (每Watt 80 流明)。然而，進(jìn)一步的預(yù)測顯示，到2012 年，LED 將達(dá)到每Watt 150 流明的光輸出。另一個(gè)優(yōu)勢是LED 的長壽命。視計(jì)算方法的不同而不同，白光LED 燈的壽命至少為1 萬小時(shí)，有些甚至聲稱達(dá)到了5 萬小時(shí)。此外，LED 是“綠色”產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈儾缓魏斡泻Σ牧稀?/p>

　　這些進(jìn)步具有重要意義，因?yàn)槊绹茉床抗?，在美國所發(fā)電量中，照明消耗占22%。廣泛使用LED 照明可能使照明耗電量減半。從另一個(gè)角度來理解，到2027 年，LED 照明有可能使每年能源使用量減少相當(dāng)于5 億桶石油，同時(shí)還伴隨著二氧化碳排放量的減少。

　　LED 照明的成本已經(jīng)非常迅速地下降了。單個(gè)白光LED (幾個(gè)白光LED 組成一個(gè)LED 燈，LED 占LED 燈的大部分成本) 的價(jià)格幾年前大約為5 美元，過去一年中，已經(jīng)降至不到1 美元了。很多LED 行業(yè)的分析師都預(yù)測，在未來一年內(nèi)，LED 燈的價(jià)格將達(dá)到消費(fèi)者可以接受的程度，LED 燈將取代白熾燈。有些LED 制造商宣布，已經(jīng)設(shè)計(jì)出了能為LED 燈供電的發(fā)光芯片，能使LED 燈產(chǎn)生可與家庭中極其普遍地使用的75W 白熾燈相比的光輸出。這種類型的LED 芯片為了能提供這樣的光輸出量，通常需要12W 至15W 的功率。

　　高亮度LED 給驅(qū)動(dòng)器IC 帶來了怎樣的挑戰(zhàn)?

　　今天，LED 驅(qū)動(dòng)器IC 必須具有的一個(gè)關(guān)鍵性能特點(diǎn)是能給LED 充分調(diào)光。既然LED 是用恒定電流驅(qū)動(dòng)的，其中DC 電流值與LED 的亮度成正比，那么要改變LED 的亮度，就有兩種通過控制LED 電流來調(diào)光的方法。第一種方法是模擬調(diào)光，在這種方法中，通過降低恒定LED 電流值，成比例地降低LED 的DC 電流值。降低LED 電流可能導(dǎo)致LED 顏色的改變或不準(zhǔn)確的LED 電流控制。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 的頻率通斷LED，人眼對(duì)這種頻率的通斷察覺不到。PWM 調(diào)光的占空比與LED 亮度成正比，同時(shí)，在接通時(shí)LED 電流保持同一個(gè)值不變(如LED 驅(qū)動(dòng)器IC 所設(shè)定的那樣)，從而在高調(diào)光比時(shí)保持LED 顏色不變。在某些應(yīng)用中，使用這種PWM 調(diào)光方法能提供高達(dá)3000:1 的調(diào)光比。

　　凌力爾特公司的LED 驅(qū)動(dòng)器IC采用既滿足輸入電壓范圍要求、又滿足所需輸出電壓和電流要求的轉(zhuǎn)換拓?fù)?，尤其在?qū)動(dòng)高亮度LED 的情況下，能為很多不同類型的LED 配置提供充足的電流和電壓。因此，凌力爾特公司的高亮度LED 驅(qū)動(dòng)器IC 一般具有以下特點(diǎn)：

1. 　　寬輸入電壓范圍
2. 　　寬輸出電壓范圍
3. 　　高效率轉(zhuǎn)換
4. 　　嚴(yán)格調(diào)節(jié)的LED 電流匹配
5. 　　低噪聲、恒定頻率工作
6. 　　獨(dú)立的電流和調(diào)光控制
7. 　　寬調(diào)光比范圍
8. 　　小型緊湊的占板面積，所需外部組件最少

　　凌力爾特公司擁有種類繁多的產(chǎn)品以滿足LED 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需求，其中的兩個(gè)例子是LT3754 和LT3956。

　　當(dāng)白光LED 用于大型平板顯示器的背光照明時(shí)，凌力爾特公司推出的新產(chǎn)品LT3754能解決與驅(qū)動(dòng)白光LED 有關(guān)的設(shè)計(jì)問題。LT3754 是一款創(chuàng)新性LED 驅(qū)動(dòng)器IC，可用于配備了26 英寸或更大尺寸平板顯示屏高清電視機(jī)。這款升壓模式LED 驅(qū)動(dòng)器有16 個(gè)單獨(dú)的通道，每個(gè)通道具有約3.2V 的Vf，能驅(qū)動(dòng)由多達(dá)一個(gè)由15 個(gè)50mA LED 組成的LED 串。因此，每個(gè)LT3754 能驅(qū)動(dòng)多達(dá)240 個(gè)50mA 的白光LED。結(jié)果，一個(gè)26 英寸的LCD 高清電視機(jī)也許僅需要一個(gè)LT3754，就能提供必需的背光照明。所有16 個(gè)通道都通過單個(gè)PWM 輸入控制，能提供高達(dá)3,000:1 的PWM 調(diào)光比。

　　LT3754 使用一個(gè)小型電感器和甚至更纖巧的陶瓷輸出電容器。惟一需要的其他組件是單個(gè)輸入電容器、MOSFET 和一個(gè)電流設(shè)定電阻器，如圖1 所示。每個(gè)通道都跟隨一個(gè)可編程設(shè)定的主電流，以允許每串LED 有10mA 至50mA 的LED 電流。這些通道還可以并聯(lián)，以提供更大的LED 電流。輸出電壓適應(yīng)LED Vf 的變化，以實(shí)現(xiàn)最佳效率，開路LED 故障不影響所連接的其他LED 串的工作。LT3754 采用緊湊型32 引腳、5mmx 5mm QFN 封裝。

　　圖1：38W LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)16 串每串有15 個(gè)50mA LED 的LED 串

　　16 STRINGS 50mA UP TO 45V：16 串，50mA，高達(dá)45V

　　現(xiàn)在，用一個(gè)由18 個(gè)串聯(lián)LED 組成的陣列可以配置一個(gè)25W 的白光LED 前燈，流過LED 的350mA 電流可產(chǎn)生需要的光輸出。不過，一個(gè)主要的障礙是，如何高效率、簡單地驅(qū)動(dòng)這樣一個(gè)配置。一個(gè)可能的解決方案是，使用凌力爾特公司最近推出的LT3956 單片LED 驅(qū)動(dòng)器。LT3956 是一款DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為作為恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)器工作而設(shè)計(jì)。它非常適用于驅(qū)動(dòng)大電流、高亮度LED (參見圖2)。

　　圖2：效率為94% 的25W 白光LED 前燈驅(qū)動(dòng)器

　　TRANSIENT：瞬態(tài)

　　LED STRING：LED 串

　　LT3956 包括一個(gè)額定值為84V/3.3A 的內(nèi)部低壓側(cè)N 溝道功率MOSFET，用內(nèi)部調(diào)節(jié)的7.15V 電源驅(qū)動(dòng)。其固定頻率、電流模式架構(gòu)可在寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。一個(gè)以地為基準(zhǔn)的電壓反饋(FB) 引腳用作幾種LED 保護(hù)功能的輸入，還使該轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz 至1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定頻率，以優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

　　LT3956 在LED 串的高壓側(cè)檢測輸出電流。就驅(qū)動(dòng)LED 而言，高壓側(cè)檢測是最靈活的方法，允許升壓、降壓或降壓-升壓模式配置。PWM 輸入提供高達(dá)3,000:1 的LED 調(diào)光比，而CTRL 輸入提供額外的模擬調(diào)光功能。

　　結(jié)論

　　用LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的任何LED 都必須能以最低功率提供必需的光輸出量，這樣才不會(huì)在最終系統(tǒng)中引起顯著的熱量設(shè)計(jì)限制。幸運(yùn)的是，就照明設(shè)計(jì)師而言，既存在高效率LED，又存在高性能LED 驅(qū)動(dòng)器，可提供他們最需要的特性：以適中的功率和情合理的成本下提供大量光輸出。