如何正確測(cè)量LED供電電源

就普通照明而言，LED技術(shù)已經(jīng)可以滿足生產(chǎn)高品質(zhì)燈具的要求，但是具體生產(chǎn)高品質(zhì)LED燈具時(shí)，則需要掌握電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)等三個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。很少有同時(shí)精通於三個(gè)領(lǐng)域的工程師，而如果電源工程師還負(fù)責(zé)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，他多半會(huì)將更多精力放在控制輸出電流的精確度上。毫無(wú)疑問(wèn)，精確度非常重要，但當(dāng)我們的最終產(chǎn)品是一個(gè)燈具時(shí)，它發(fā)出的光的品質(zhì)才是我們所關(guān)心的重點(diǎn)所在。本文重點(diǎn)探討了如何對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，因?yàn)楫?dāng)我們關(guān)心輸出光品質(zhì)時(shí)，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流的控制將會(huì)成為影響LED電源成本的重要因素。為了使用於LED供電電源設(shè)計(jì)的每分錢都充分發(fā)揮作用，我們?cè)诒疚闹刑岢隽艘粋€(gè)最佳方案——封閉實(shí)際光輸出的控制回路。

半導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn)，使同時(shí)專長(zhǎng)於電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)(機(jī)械工程)這三個(gè)領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前，在三個(gè)領(lǐng)域都富有經(jīng)驗(yàn)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(lǐng)域相關(guān)，同時(shí)他們還需盡可能與其他領(lǐng)域的工程師協(xié)作。系統(tǒng)工程師常常會(huì)把自己原領(lǐng)域養(yǎng)成的習(xí)慣或積累的經(jīng)驗(yàn)帶入設(shè)計(jì)工作中，這和一個(gè)主要研究數(shù)位系統(tǒng)的電子工程師轉(zhuǎn)去解決電源管理問(wèn)題時(shí)所遇到的情況相同：他們可能依靠單純的模擬，不在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)電源做測(cè)試就直接在電路板上布線，因?yàn)樗麄儧](méi)有認(rèn)識(shí)到：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器需要仔細(xì)檢查電路板布局;另外，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，實(shí)際的工作情況很難與模擬一致。

在設(shè)計(jì)LED燈具的過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位元電子電力專家，或者若電源設(shè)計(jì)被承包給一家工程公司時(shí)，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的習(xí)慣就會(huì)出現(xiàn)在LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中。一些習(xí)慣是很有用的，因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。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(duì)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(lái)的挑戰(zhàn)。電力電子工程師習(xí)慣於總想確保輸出電壓或電流的高精確度，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器而言并不是很好的習(xí)慣。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)位負(fù)載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴(yán)格的控制，以防止出現(xiàn)較高的誤碼率。因此，數(shù)位電源軌的公差通常會(huì)控制在±1%以內(nèi)或比它們的標(biāo)稱值小，也可用其絕對(duì)數(shù)值表示，如0.99V至1.01V。在將傳統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)習(xí)慣引入LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)領(lǐng)域時(shí)，帶來(lái)的問(wèn)題就是：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流公差的嚴(yán)格控制，將浪費(fèi)更多的電力并使用更昂貴的元件，或者二者兼而有之。

善用每一分預(yù)算

理想的電源是成本不高，效率能達(dá)到100%，并且不占用空間。電力電子工程師習(xí)慣了從客戶那里聽(tīng)取意見(jiàn)，他們也會(huì)盡最大力量去滿足那些要求，力圖在最小的空間和預(yù)算范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)也不例外，事實(shí)上它面對(duì)更大的預(yù)算壓力，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的照明技術(shù)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了商品化，其價(jià)格已經(jīng)非常低廉。所以，花好預(yù)算下的每一分錢都非常重要，這也是一些電力電子設(shè)計(jì)師工程師被老習(xí)慣‘引入歧途’的地方。要將LED電流的精確度控制到與數(shù)位負(fù)載的供電電壓的精度相同，則會(huì)既浪費(fèi)電，又浪費(fèi)錢。100mA到1A是當(dāng)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(shuō)，光電半導(dǎo)體結(jié)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(qū)動(dòng)器的積體電路是矽基的，所以在1.25V的范圍內(nèi)有一個(gè)典型的帶隙。要在1.25V處達(dá)到1%的容差，亦即需要±12.5mV的電壓范圍。這并不難實(shí)現(xiàn)，能達(dá)到這種容差或更好容差范圍的低價(jià)電壓參考電路或電源控制IC種類繁多，價(jià)格低廉。當(dāng)控制輸出電壓時(shí)，可在極低功率下使用高精度電阻來(lái)回饋輸出電壓(如圖1a所示)。為控制輸出電流，需要對(duì)回饋方式做出一些調(diào)整，如圖1b所示。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡(jiǎn)單的手段。

深入研究之後，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣做的一個(gè)主要缺點(diǎn)是：負(fù)載和回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(gè)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(qū)動(dòng)積體電路的參考電壓要遠(yuǎn)低於現(xiàn)在的產(chǎn)品，這類似於電池充電器。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(cè)電阻。在圖1b所示的簡(jiǎn)單的低端回饋環(huán)境下，200mV是常規(guī)的電壓選擇。但是，要在200mV參考電壓下實(shí)現(xiàn)±1%的容差，則需要一個(gè)價(jià)格很高的積體電路，此時(shí)相對(duì)於標(biāo)稱參考電壓的容差為±2mV。盡管這并不是不可能實(shí)現(xiàn)的，不過(guò)更高的精度需要更高的成本。±2mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測(cè)試和分級(jí)技術(shù)，此時(shí)，附加成本應(yīng)花費(fèi)在更智慧的LED驅(qū)動(dòng)器上。新的費(fèi)用的價(jià)值是增加了一個(gè)反饋回路，借助該回路，可以利用光輸出(而非電流輸出)來(lái)控制如何驅(qū)動(dòng)LED。

測(cè)量光輸出

就像數(shù)位產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在電源設(shè)計(jì)中遇到不確定問(wèn)題時(shí)會(huì)采取模擬解決問(wèn)題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構(gòu)師在進(jìn)行LED燈具設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)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(qū)動(dòng)所有LED，那麼每個(gè)LED會(huì)產(chǎn)生相同的光通量。因此，電力電子工程師就會(huì)得出結(jié)論：高精確度的電流是必須的。這樣一來(lái)，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(diǎn)。測(cè)量電流是很容易的，而相對(duì)的，測(cè)量光則需要昂貴的大型設(shè)備，如圖2所示的積分球，而大部分電子工程師對(duì)積分球都不太了解。

另外，即使容差為±0.1%的電流源(其價(jià)格會(huì)相當(dāng)高)有巨大的市場(chǎng)價(jià)值，它對(duì)在實(shí)際光輸出中產(chǎn)生嚴(yán)格的容差值上沒(méi)有什麼作用。透過(guò)觀察LED光通量的分級(jí)可以確定這一點(diǎn)。表1給出了世界三大頂級(jí)電力光電半導(dǎo)體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級(jí)結(jié)果。注意最後一列是各分級(jí)的容差平均值，而不是所有光通量分級(jí)范圍內(nèi)的容差。

全球前二大光電半導(dǎo)體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級(jí)結(jié)果

計(jì)算光輸出精度

了解到來(lái)自單個(gè)通量分級(jí)的LED光輸出會(huì)有±3%到±10%的容差之後，系統(tǒng)工程師可能會(huì)因此得出結(jié)論：驅(qū)動(dòng)電流容差值必須是越嚴(yán)格越好。然而從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)看，該觀點(diǎn)并不正確。一個(gè)常見(jiàn)的但不正確的假設(shè)是：任何值的整體容差都等於最壞條件下各值的簡(jiǎn)單加總僅。為L(zhǎng)ED供電的電流源的容差和LED光通量的容差是互不相關(guān)的──它們?cè)谧畛蹼A段就已相互獨(dú)立。對(duì)於不相關(guān)的兩個(gè)因數(shù)X和Y，整體容差Z并不是X和Y的容差之和，而是應(yīng)該利用下述運(yùn)算式進(jìn)行計(jì)算：

光輸出整體容差與電流源容差的對(duì)比

整體容差和一列假設(shè)電流源容差的對(duì)比

根據(jù)方程1可以發(fā)現(xiàn)，最低容差因數(shù)的作用大於其他，而且實(shí)際的整體容差值要遠(yuǎn)優(yōu)於各個(gè)因數(shù)在最壞情況下的容差的和，尤其是當(dāng)其中一個(gè)因數(shù)遠(yuǎn)好於其他因數(shù)時(shí)。觀察圖3，電流源容差的最合理的目標(biāo)是將其控制在LED光輸出的容差范圍內(nèi)。記住一點(diǎn)：出於成本考慮，許多燈具會(huì)使用來(lái)自不同分級(jí)的LED。

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