萬眾矚目的大功率、高亮度 LED 驅動器

背景

LED 是一種半導體器件，當被施加正向偏置電壓時將發(fā)出非相干窄譜光，從而產生一種電致發(fā)光的現(xiàn)象。換句話說，固態(tài)磷光體在電場作用下，將電能直接轉換成了光。所發(fā)光的顏色取決于所用半導體材料的化學組成，可能接近紫外、可見或紅外光。

過去幾年，LED 技術取得了很大進步。在散熱、封裝和工藝方面的改進導致了更高的亮度、更高的效率、更長的壽命和更低的成本。與白熾燈不同，LED 沒有會燒壞的燈絲，而且工作時往往溫度較低。此外，白熾燈有 95% 能量是以熱量形式浪費掉的。

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，有些制造商已經宣布，在實驗室中實現(xiàn)了 200 lm/W。那么顯然，就發(fā)光有效性而言，LED 已經超過了白熾燈 (一個典型的 60W 白熾燈的光輸出為 15 lm/W)?；蛘邠Q一種說法，發(fā)光有效性指的是，一個光源的光輸出量 (以流明為單位) 與產生該光輸出量所消耗的功率 (以瓦為單位) 之比。即使如此，人們仍然預計，在未來一年內，將在市場上輕而易舉地得到具 150 lm/W 光輸出的 LED。另一個好處是 LED 的壽命。視計算方法的不同而不同，白光 LED 燈至少具有 5 萬小時的壽命，有些甚至聲稱長達 10 萬小時，而白熾燈的壽命僅為 1200 小時至 1500 小時左右。

高亮度 LED 照明的成本也在迅速下降。幾年前，單個白光二極管 (幾個這樣的二極管組成一個 LED 燈，并占 LED 燈成本的大部分) 的價格約為 4 美元，現(xiàn)在已經下降為不到 1 美元了。LED 業(yè)界的很多分析師預測，在未來一年中，取代白熾燈的 LED 燈價格將達到消費者可接受的程度。一些 LED 制造商宣布，已經設計出能讓 LED 燈產生的光輸出與 75W 白熾燈相媲美的發(fā)光芯片，而 75W 白熾燈在大多數家庭中都很常見。這類 LED 芯片通常僅需要約 9W 功率，就能使 LED 燈產生同等于 75W 白熾燈的光輸出量。

今天，LED 驅動器 IC 必須具有的一個關鍵性能特點是能充分地對 LED 燈調光。因為 LED 是用恒定電流驅動的，而 DC 電流值與 LED 亮度成正比，那么要改變 LED 的亮度，就有兩種通過控制 LED 電流來調光的方法。第一種方法是模擬調光，采用這種方法時，通過降低恒定的 LED 電流值，成正比地降低 LED 的 DC 電流。降低 LED 電流可能引起 LED 色彩變化，或者導致對 LED 電流的控制不準確。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，以這樣的頻率開關，人眼是察覺不到的。PWM 調光的占空比與 LED 的亮度成正比，而接通時 LED 電流保持相同的值 (如 LED 驅動器 IC 所設定的那樣)，從而在高調光比時，保持 LED 色彩不變。在某些應用中，這種 PWM 調光方法可以在高達 30,000:1 的調光比情況下使用。

尤其是在驅動高亮度 (HB) LED 的情況下，LED 驅動器 IC 必須能以一種既滿足輸入電壓范圍又滿足所需輸出電壓及電流要求的轉換拓撲，為很多不同類型的 LED配置提供足夠的電流和電壓。因此，在理想情況下，高亮度 LED 驅動器 IC 應該具有以下特點：

Ø 寬輸入電壓范圍：高達 100V

Ø 寬輸出電壓范圍：高達 100V

Ø 高效率轉換：高達 98%

Ø 對 LED 電流匹配進行嚴格調節(jié)：在溫度范圍內變化少于 2%

Ø 低噪聲、恒定頻率工作：高達 2.5MHz

Ø 獨立電流和調光控制

Ø 寬調光比：高達 30,000:1

Ø 多種轉換拓撲，包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型和 SEPIC

Ø 很多保護功能，例如對 LED 串開路、LED 引腳至 VOUT 短路提供保護，以及準確的欠壓閉鎖門限

Ø 小型和占板面積緊湊的解決方案，需要最少的外部組件

高亮度 LED 舉例

毫無疑問，大部分汽車前燈仍然是白熾燈。不過，這種主導地位將來會受到來自高強度放電 (HID) 燈和高亮度 LED 前燈的壓力。HID 燈包括所有用在普通照明中的高強度放電燈，例如高壓水銀蒸氣燈、高壓鈉燈、低壓鈉等和金屬鹵化物燈。為室內、建筑物或外部空間等工作或生活環(huán)境照明，一般照明源足夠亮了。這類照明應用包括住宅照明、商用和工業(yè)照明、路燈以及汽車前燈。HID 氙燈于上世紀 90 年代首先引入在汽車前燈中。不過，這類燈的生產制造成本非常高，因此其使用一直僅限于高端汽車。未來，由于最近推出的高亮度 LED，這類 HID 氙燈的使用會迅速減少。因此，高亮度 LED 前燈在未來 10 年將有最大的增長。

汽車照明系統(tǒng)設計師面臨的最大障礙之一是：如何優(yōu)化由這最新一代 LED 提供的所有功能和益處。因為 LED 一般需要一個準確和高效率的電流源以及一種調光方法，所以 LED 驅動器 IC 必須設計為在多種工作條件下滿足這些要求。此外，LED 驅動器 IC 的電源解決方案必須是高效率、堅固和可靠的，同時還要非常緊湊和具有成本效益。

可以說，就驅動 LED 而言，最苛刻的應用之一將是汽車前燈系統(tǒng) (由遠光燈、近光燈、白天行車燈、霧燈和轉向信號燈組成)，因為這些燈既經受著嚴酷的汽車電氣環(huán)境，同時又必須適應多種溫度條件的變化。而且它們還必須總是能放入非常受限的空間中，總是具有富有吸引力的成本結構。