實(shí)例解析高功率LED照明設(shè)計(jì)

照明設(shè)計(jì)人員對發(fā)光二極管(LED)照明的力捧乃是因?yàn)闈撛诘谋姸嗪锰?，而這些好處是白熾燈、鹵素?zé)?、熒光燈及充?/span>/弧光燈所缺乏的。雖然現(xiàn)今LED照明系統(tǒng)的商機(jī)很大，但真正讓照明設(shè)計(jì)人員雀躍不已的卻是固態(tài)照明(SolidStateLighting)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

要在LED照明設(shè)計(jì)上取得成功，必須密切關(guān)注三個(gè)因素，分別是電子驅(qū)動、散熱管理和光學(xué)效率。唯有成功平衡這三個(gè)因素，才能享受固態(tài)照明所帶來帶來壽命長、高電子效率、高亮度和純色(或白色LED嚴(yán)格控制的色溫)等優(yōu)點(diǎn)。針對如何選擇高功率LED(1瓦及以上)以及設(shè)計(jì)電路驅(qū)動等問題，本文將為設(shè)計(jì)人員提供極有價(jià)值的參考。

LED串聯(lián)配置可達(dá)理想照明標(biāo)準(zhǔn)

用于固態(tài)照明的LED晶粒一般由半導(dǎo)體材料制成。紅色、橙色和琥珀色LED幾乎都采用InAlGaP制成，綠色和藍(lán)色LED則大多采InGaN制成；而白色LED則是使用帶有轉(zhuǎn)換熒光體的藍(lán)色LED，若從電子驅(qū)動角度來看，則與藍(lán)色LED相同。和標(biāo)準(zhǔn)的PN接面二極管相同的是，當(dāng)LED被正向偏置時(shí)，它們開始傳導(dǎo)電流；而與標(biāo)準(zhǔn)的PN接面二極管不同的則是正向偏置中的LED會發(fā)光。而由電流驅(qū)動(LED以及通過LED極低的直流正向電壓等兩種特性，使得LED不同于其他光源。InAlGaPLED典型的正向電壓VF為2～3伏特，而InGaNLED的正向電壓則為3～4伏特，但LED的光通量與正向電流IF成比例關(guān)系。電子驅(qū)動設(shè)計(jì)的第一個(gè)問題是固定驅(qū)動電流，第二個(gè)問題是確定每個(gè)LED的電壓范圍。仔細(xì)查看制造商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表，將會找到建議的驅(qū)動電流及相應(yīng)電流條件下的VF、主波長和光通量標(biāo)準(zhǔn)值、最小值和最大值。典型的VF與IF對比圖(圖1)要注意的是電流為獨(dú)立的量，表示電流控制是LED驅(qū)動器的關(guān)鍵。

圖1紅色InAlGapLED和白色InGaNLED的VF與IF比較

近年來，雖然高功率LED具有重大發(fā)展，但單一裝置仍無法滿足一般照明需求。由業(yè)界生產(chǎn)的旗艦性產(chǎn)品1瓦白色LED(標(biāo)準(zhǔn)色溫6,500K)，可產(chǎn)生100流明的光通量。但與典型的60瓦白熾燈泡相比，LED照明射角相對較窄。白熾燈泡的典型發(fā)光效率為15lm/W，可產(chǎn)生900流明的光，幾乎均勻地分布于各個(gè)方向。如果目標(biāo)是照亮以前采用白熾燈泡的空間，則需要多個(gè)LED。將LED串聯(lián)可保證流經(jīng)每個(gè)設(shè)備的電流皆相等，并確保每個(gè)組件都發(fā)出均勻的光?？偠灾?，盡可能將多的LED串聯(lián)，然后進(jìn)一步添加串行電路，直到總光輸出達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)。可采用串聯(lián)配置的LED數(shù)量取決于幾個(gè)因素，但主要由輸入電壓、電子規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)及LED驅(qū)動器決定。圖2、3、4分別顯示三種驅(qū)動由九個(gè)1瓦LED組成的照明系統(tǒng)的方法。

LED配置的優(yōu)勢是可使用單一LED驅(qū)動器(圖2)，并可保證流經(jīng)每個(gè)LED的電流都相等。缺點(diǎn)則是會導(dǎo)致最高的輸出電壓，因而需要尺寸更大、價(jià)格更高的電路組件及滿足安全要求。此外，若其中任何一個(gè)LED有「開路」的問題，全部的LED將無法發(fā)光。

圖2單一串行電路中的九個(gè)LED

圖3所示的LED配置具有更低輸出電壓和減少觸電危險(xiǎn)的優(yōu)勢。如果一個(gè)LED發(fā)生故障，其他兩個(gè)支路會繼續(xù)工作，這樣設(shè)計(jì)有利也有弊。一方面，一個(gè)LED發(fā)生故障不會使整個(gè)燈不亮。另一方面，作為電流源的LED驅(qū)動器現(xiàn)在必須將更多電流(1.5×IF)施加到其他的支路中。這會使LED變得過熱，而縮短使用壽命。串并聯(lián)數(shù)組的第二個(gè)缺點(diǎn)是LED不會均等分享驅(qū)動電流，除非它們的VF相符。這需要由LED制造商對其產(chǎn)品分批，因此增加了成本。即使進(jìn)行VF分批，如果在設(shè)計(jì)時(shí)沒有為每個(gè)LED提供均等的散熱，LED中VF的負(fù)溫度系數(shù)也會導(dǎo)致支路之間的電流不均衡。

圖33x3串聯(lián)-并聯(lián)數(shù)組中的九個(gè)LED

圖4說明一種可提供最大系統(tǒng)穩(wěn)定性的保守方法，但這種方法的成本最高，并且占用最多空間。采用單獨(dú)的驅(qū)動器可將輸出電壓保持在較低的水平，毋需VF分檔，即使兩個(gè)不同支路的兩個(gè)LED都發(fā)生故障，燈仍可保持一些光輸出。如果LED驅(qū)動器是交換式穩(wěn)壓器，三個(gè)驅(qū)動器(及周圍的被動組件)的成本和占用元空間都會過高。

圖4由三個(gè)驅(qū)動器驅(qū)動的九個(gè)LED