LED 驅動器 IC 可為眾多照明應用的發(fā)展起到引領作用

引言
在過去幾年，LED 市場已經出現了大幅增長。隨著散熱、封裝和工藝方面取得的進步，已經實現了更高的亮度、更高的效率、更長的壽命和更低的成本。與白熾燈泡不同，LED 沒有會燒斷的燈絲，而且它們的工作溫度往往較低。此外，白熾燈泡還將 90% 的電能以熱量的形式白白浪費掉了。順便說一句，白熾燈泡的照明燈具設計之所以更像是散熱器 (而不是用于散播所產生之光線的外罩)，其原因就在于此。

大功率或高亮度 (HB) LED 的光輸出已經超過了每瓦 100 流明 (即 100 lm/W) 這一具有里程碑意義的關鍵數值。實際上，有些制造商聲稱，已經在實驗室中實現了 200 lm/W 的光輸出。那么顯然，在發(fā)光效率方面，LED 已經超過了白熾燈 (典型的 60W 白熾燈光輸出大約為 14 lm/W)?；蛘邠Q一種說法，一個光源的光輸出量 (用流明來衡量) 與產生該光輸出所消耗的功率 (以瓦來衡量) 之比。即便如此，人們仍然預計，在未來一年，具 150 lm/W 光輸出的 LED 將能在市面上方便地買到。另一個好處是 LED 的壽命。視計算方式的不同，一個白光 LED 燈至少有三萬五千小時的壽命，有些甚至聲稱能長達 10 萬小時，而白熾燈的壽命大約為 1000 小時。為了正確理解這一點，來做一下如下計算，如果你每天使用一個 LED 燈 10 小時，那么該 LED 燈應該能持續(xù)使用 9 年半時間，與標準白熾燈可憐的 1/3 年大相徑庭！

高亮度 LED 照明的成本也已經非常迅速地下降了。過去幾年，單個白光二極管的價格已經下降，今天價格已經不到 1 美元了，一個 LED 燈中有幾個這樣的二極管，這些二極管的成本占 LED 燈成本的大部分。很多 LED 行業(yè)分析師預測，今年，取代白熾燈的 LED 燈的價格將達到消費者可接受的程度。有些 LED 制造商宣布，已經設計出了一些發(fā)光芯片，能使 LED 燈產生與大多數家庭中常見的 75W 白熾燈相媲美的光輸出。這類 LED 芯片通常僅需要大約 9W 功率，就能產生同樣的光輸出量。與光輸出量相同的白熾燈相比，9W 功率連其 1/8 都不到。不過，很少有人認識到，這些效率超乎尋常的 LED 燈的關鍵之處是，在 LED 燈內驅動 LED 所需的電路。令人難以置信的是，這種電路的核心是模擬 LED 驅動器 IC。

今天，LED 驅動器 IC 必須具有的一個主要的性能特點是能充分地對 LED 調光。既然 LED 是用恒定電流驅動的，且 DC 電流值與 LED 亮度成正比，那么要通過控制 LED 電流來改變 LED 亮度，就有兩種調光方法。第一種方法是模擬調光，采用這種方法時，LED DC 電流值隨恒定 LED 電流值的降低成正比降低。降低 LED 電流可能引起 LED 色彩的變化，或者 LED 電流控制不準確。第二種方法是數字或脈沖寬度調制 (PWM) 調光。PWM 調光以等于或高于 100Hz 的頻率接通和斷開 LED，以這種頻率切換，人眼是察覺不到的。PWM 調光的占空比與 LED 亮度成正比，而在接通時 LED 電流保持相同的值 (如 LED 驅動器 IC 所設定)，從而在高調光比時保持了恒定不變的 LED 色彩。這種 PWM 調光方法在某些應用中使用時，能實現高達 30,000:1 的調光比。

尤其在驅動高亮度 LED 的情況下，LED 驅動器 IC 必須憑借既滿足輸入電壓范圍又滿足所需的輸出電壓及電流要求的轉換拓撲，為很多不同類型的 LED 配置提供充足的電流和電壓。一個值得注意的例外是離線式 LED 應用，理想情況下，高亮度 LED 驅動器 IC 應該具有以下特點：

A.寬輸入電壓范圍 ─ 高達 100V
B.寬輸出電壓范圍 ─ 高達 100V
C.高效率轉換 ─ 高達 98%
D.嚴格調節(jié)的 LED 電流匹配 ─ 隨溫度變化不到 5%
E.低噪聲、恒定頻率工作 ─ 高達 2.5MHz
F.獨立的電流和調光控制
G.寬調光范圍比 ─ 30,000:1
H.多種轉換拓撲，包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型和 SEPIC
I.很多保護功能，例如對 LED 串開路和 LED 引腳至 VOUT 短路的保護以及準確的欠壓閉鎖門限
J.占板面積緊湊并需要最少外部組件的小型解決方案

汽車采用高亮度 LED 的例子
毫無疑問，大部分汽車前燈仍然還是白熾燈。不過，白熾燈這種主導地位已經開始面臨來自高強度放電 (HID) 燈和高亮度 LED 燈的壓力。高強度放電燈包括所有用在普通照明應用中的高強度放電燈，例如高壓水銀蒸氣燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈以及金屬鹵化物燈。要在室內、建筑物或室外空間為工作或生活環(huán)境照明，普通照明光源已經足夠亮了。這類環(huán)境照明包括住宅照明、商業(yè)和工業(yè)照明、路燈以及汽車前燈。高強度放電氙燈是第一種用于汽車前燈的高強度放電燈，于 20 世紀 90 年代推出。不過，這類燈的生產制造成本非常高，因此它們的使用一直僅限于高檔汽車。由于最近高亮度 LED 燈的推出，未來這類高強度放電氙燈的使用將會迅速減少。因此，未來 10 年高亮度 LED 前燈的增長率將是最高的。

汽車照明系統(tǒng)設計師面臨的最大障礙之一是，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 的所有特色和優(yōu)勢。既然 LED 一般需要一個準確和高效率的電流源和一種給 LED 調光的方法，那么 LED 驅動器 IC 就必須設計為在種類繁多的工作條件下滿足這些要求。此外，LED 的電源解決方案必須是高效率、堅固及可靠的，同時還必須非常緊湊并具有高成本效益。

可以說，就驅動 LED 而言，要求最苛刻的應用之一將是前燈系統(tǒng) (由遠光燈和近光燈、白天行車燈、霧燈以及轉向信號燈組成)，因為前燈處于嚴酷的汽車電氣環(huán)境中，同時還必須適應多種溫度條件的變化。而且，前燈必須總是能裝進非常受限的空間中，成本結構也要有吸引力。

面向汽車前燈的新型 LED 驅動器 IC
凌力爾特公司最近推出的 LT3791 是一款 4 開關同步降壓-升壓型 LED 驅動器和穩(wěn)壓器控制器，非常適用于驅動汽車前燈應用中的高亮度 LED?？刂破饔酶哂?、低于或等于輸出電壓的輸入電壓工作。該器件具 4.5V 至 60V 的寬輸入電壓范圍和 0V 至 60V 的輸出電壓范圍，同時還可以在工作模式之間無縫轉換。此外，其獨特的同步降壓-升壓型拓撲可實現高達 98% 的工作效率，這可極大地減小因功耗產生熱量而所必需之散熱器的尺寸和重量。

圖 1：LT3791 以高達 100W 的功率驅動一個 3A LED 陣列

以地為基準的電壓反饋引腳 (FB) 充當幾種 LED 保護功能的輸入，并使轉換器能作為恒定電壓源運行，參見圖 1。該器件還提供故障保護，以在出現 LED 開路或短路的情況下不被損壞，并發(fā)布故障報告，同時當發(fā)生故障時，定時器允許 LT3791 鎖斷或重啟。該器件還采用了專有的電流模式拓撲和控制架構，并在降壓和升壓模式中采用了電流檢測電阻器。

高亮度 LED 在工業(yè)應用的例子
還有其他一些最終市場應用對大功率高亮度 LED 驅動器有自己獨特的需求，在這類應用中，LED 電流必須高于 10A。這類應用包括 DLP 投影機、激光器和建筑照明。不過，提供高于 10A 的電流可能帶來很多設計問題，其中非常重要的問題是，最終產品本身的熱量管理！為此，凌力爾特開發(fā)了獨特的 LED 驅動器，以專門滿足這類應用的設計需求。

LT3743 是一款降壓型同步 DC/DC 轉換器，用來提供恒定電流，以驅動大電流 LED。該器件可提供高達 20A 的連續(xù) LED 電流，或高達 40A 的脈沖 LED 電流。LT3743 的獨特設計實現了 3 態(tài)電流控制，這使該器件非常適用于 DLP 投影機所需的色彩混合應用。該器件還提供非?？?(2us) 的電流轉換時間，優(yōu)化了色彩混合分辨率，并允許在激光驅動器應用中產生非?？斓碾娏髅}沖。

LT3743 具 5.5V 至 36V 的輸入電壓范圍，從而非常適用于多種應用，包括工業(yè)、DLP 投影和建筑照明。LT3743 用標稱 12V 輸入提供高達 20A 的連續(xù) LED 電流，從而可提供超過 80W 的功率。在脈沖式 LED 應用中，該器件可用 12V 輸入提供高達 40A 的 LED 電流，或 160W 峰值功率。高達 95% 的效率使得無需任何外部散熱措施，而且極大地簡化了熱設計。頻率調節(jié)引腳使用戶能在 100kHz 至 1MHz 范圍設定頻率，這樣設計師就可以優(yōu)化效率，并能最大限度地減少外部組件的尺寸。結合 4mm x 5mm QFN 或耐熱增強型 TSSOP-28 封裝，LT3743 提供了非常緊湊的大功率 LED 驅動器解決方案。參見圖 2，以了解提供 20A LED 電流的典型應用原理圖。

圖 2：提供 20A LED 電流的 LT3743 典型應用原理圖

LT3743 提供 PWM 和 CTRL_SELECT 調光，在 3 種 LED 電流時，實現 3000:1 的調光能力，從而非常適用于 DLP 投影機中所需的那類色彩混合應用。類似地，LT3743 獨特的拓撲使其能以不到 2us 的時間在兩個穩(wěn)定的 LED 電流值之間轉換，從而可在 RGB 應用中提供更準確的色彩混合。LT3743 保持 ±6% 的 LED 電流準確度，以確保 LED 提供最準確的光輸出度。其他特點包括輸出電壓調節(jié)、LED 開路保護、過流保護和熱降額電路。

結論
毫無疑問，高亮度 LED 能有廣泛的應用，因為與白熾燈相比，高亮度 LED 具固有的高功率效率和長工作壽命，所以很多設計師正在轉向高亮度 LED。顯然，就任何給定應用而言，選擇合適的 LED 以提供所希望的光輸出是設計師的責任。然而，可以極大提升總體設計的 LED 驅動器 IC 常常被忽視。幸運的是，凌力爾特等制造商很早前就認識到這需求，而且已經通過推出革命性的 IC，奮起迎接了這一挑戰(zhàn)，這些 IC 兼有豐富的功能和性能特點，使系統(tǒng)設計師的選擇工作變得更容易了。因此，無論最終應用來自汽車、工業(yè)或其他領域，都有望變得更好!