實(shí)例解析高功率LED照明設(shè)計(jì)

采用升壓穩(wěn)壓器

升壓穩(wěn)壓器在可攜式應(yīng)用、電池輸入應(yīng)用中更常見。電感升壓穩(wěn)壓器和交換式電容升壓穩(wěn)壓器在驅(qū)動(dòng)小型LED的背光顯示上都取得重大成功，然而本應(yīng)用屬于自行車照明或軍用/警用手電筒等應(yīng)用的攜帶式照明燈。僅由三個(gè)1瓦的白色LED發(fā)出，LED由350毫安±10%的電流驅(qū)動(dòng)。如上述的范例，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表規(guī)定了以下正向電壓限制：VF-MIN=3.0V，VF-TYP=3.7V，VF-MAX=5.0V

該燈的輸入電壓為三顆1.5伏特AA電池，充滿電時(shí)每個(gè)電池的工作電壓為1.5伏特，完全放電后的工作電壓下降至0.9伏特。所有三顆電池都可并聯(lián)配置，但如此會(huì)導(dǎo)致可供驅(qū)動(dòng)器IC工作的電壓極為有限；因此，這里需要將三顆電池改為串聯(lián)配置。VIN的范圍是2.7～4.5伏特，VO-MIN為9伏特，使得電感升壓穩(wěn)壓器非常適用。以下為實(shí)例電路(圖6)。

圖6升壓LED驅(qū)動(dòng)器

采用降壓-升壓穩(wěn)壓器

汽車電子系統(tǒng)由于具有廣泛的電壓范圍，因此為LED驅(qū)動(dòng)電子組件帶來特殊挑戰(zhàn)，然而因LED的可靠性、使用壽命和發(fā)光效率，汽車卻是較早采用高功率LED的應(yīng)用之一。汽車尾燈、方向燈及車內(nèi)照明系統(tǒng)很早就轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)照明系統(tǒng)，但由于獲得光通量所需的LED數(shù)量，前照燈(近光、遠(yuǎn)光、霧燈等)經(jīng)證明很難采用LED照明。此問題是因?yàn)樗?/span>LED會(huì)隨著晶粒溫度的升高而失去光輸出，為了解決從極小的區(qū)域獲得極高光通量(1,000流明以上)的難題，除了LED制造商外，有幾家公司購買了裸片并專門進(jìn)行封裝，生產(chǎn)多晶粒LED模塊。這種產(chǎn)品在六個(gè)串聯(lián)連接與三個(gè)并聯(lián)串的LED中結(jié)合十八個(gè)晶粒。總驅(qū)動(dòng)電流為1安培，VF的范圍為18～24伏特。標(biāo)準(zhǔn)汽車電池和交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的工作電壓范圍是9～16伏特，但通常包括「雙電池」測試，也就是要求系統(tǒng)電子組件能在28伏特電壓下工作(或至少維持)兩分鐘或更長時(shí)間?！肛?fù)載突降(LoadDump)」浪涌(由交流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電池?cái)嗦匪斐?/span>)可能超過100伏特，但通常固定在約40伏特。此一廣泛的輸入電壓范圍，使得驅(qū)動(dòng)器不得不降壓和升壓。單個(gè)電感降壓-升壓驅(qū)動(dòng)器(圖7)比SEPIC、Cuk或四開關(guān)降壓-升壓驅(qū)動(dòng)器需要更少組件。但它的缺點(diǎn)是輸出電流是根據(jù)VIN控制，需要浮動(dòng)的、微分電流感應(yīng)完成控制回路。上述電流感應(yīng)需求可由圖7的低成本雙PNP晶體管實(shí)現(xiàn)，但是若改用IC電流感應(yīng)放大器，將可獲得更高精確度與高性能。

圖7降壓-升壓驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器特性關(guān)鍵在于控制/感應(yīng)輸出電流

幾乎所有具有可調(diào)節(jié)輸出電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器IC都可被轉(zhuǎn)成驅(qū)動(dòng)LED的電流調(diào)節(jié)器，但是這個(gè)解決方案并不理想。專用的高功率LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該具備一些其他DC-DC轉(zhuǎn)換器所不具備的特性，主要關(guān)鍵在于是否能精確且有效地感應(yīng)和控制輸出電流。不管電阻器在IC的內(nèi)部或外部，電流感應(yīng)電壓VSNS必須低，才可將電流感應(yīng)電阻器中的功耗降至最低。但VSNS不能低到影響訊噪比(SNR)；它的特殊優(yōu)勢在于這樣的IC設(shè)計(jì)允許使用者將VSNS調(diào)節(jié)到與控制電壓成比例，讓用戶可靈活地在效率和SNR上采取折衷策略，并且仍可像線性電流調(diào)節(jié)器一樣工作。

LED的亮度調(diào)節(jié)是透過脈沖寬度調(diào)變(PWM)以保持光源的穩(wěn)定一致或色溫穩(wěn)定。脈沖超過一定的頻率(一般為200Hz)，人類的眼睛就無法辨別單個(gè)脈沖，將LED電流保持在一定水平上并同時(shí)調(diào)節(jié)脈沖寬度，感受到的光平均強(qiáng)度就會(huì)相對改變。LED驅(qū)動(dòng)器IC應(yīng)接受邏輯電平PWM訊號，并且能夠像高傳真雙準(zhǔn)位放大器(HighFidELityBi-levelAmplifier)一樣發(fā)揮作用，以一個(gè)與邏輯訊號相符的控制電流，將脈沖施加到LED上。為了保持輸出電流對PWM訊號的正確性，傳播延遲必須降到最低，同時(shí)LED電流上升和下降的轉(zhuǎn)換速率必須提升到最高。在此毋須使用大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電源控制IC的開/關(guān)接腳(Enable/ShutdownPin)，它們通常會(huì)造成很大延遲而將關(guān)閉電流降到最低，并且有意限制轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行追蹤、緩啟動(dòng)和排序。

以降壓轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該能在沒有輸出電容器的情況下工作，因?yàn)檫@會(huì)將輸出電壓轉(zhuǎn)換為高阻抗，并且使它們與具有無限大阻抗的理想電流源最為匹配。在沒有輸出電容的情況下，輸出電壓可快速轉(zhuǎn)換，這對于快速PWM調(diào)光是必須的。沒有輸出電容的降壓轉(zhuǎn)換器可以和一個(gè)平行調(diào)光場效晶體管(FET)連接(圖8)，這種調(diào)光方法至少將傳播延遲和轉(zhuǎn)換速度降低一級，因?yàn)楸３诌B續(xù)的電感電流會(huì)消除最大的系統(tǒng)延遲。缺點(diǎn)是在LED關(guān)閉時(shí)消耗了一些功率，但輸出電壓可下降至與VSNS相等的準(zhǔn)位，從而將損失的功率降到最低；重要的是，降壓穩(wěn)壓器是唯一具有并行調(diào)光FET的交換式穩(wěn)壓器拓?fù)洹?/span>

圖8帶有并行FET調(diào)光的降壓LED驅(qū)動(dòng)器

LED驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常暴露于極端的環(huán)境溫度，這類環(huán)境甚至對電源IC而言屬于極端溫度。散熱片的高成本、LED的促狹空間，都轉(zhuǎn)化為惡劣的散熱問題。因此須要將操作溫度額定值設(shè)定到至少125℃，并且采用高功率封裝。高功率LED通常裝在金屬核心印刷電路板(MCPCB)上，由一個(gè)帶有用于電子連接的電介質(zhì)和銅導(dǎo)層的鋁基板構(gòu)成。當(dāng)將熱增益型封裝中的驅(qū)動(dòng)器也裝在MCPCB時(shí)，可獲得最佳(最低)熱電阻。熱增益型封裝的實(shí)例包括無鉛針腳框架(LeadFrame)封裝(中心有一個(gè)散熱片)以及針腳型封裝的占用空間兼容版本(比如SOIC-8和TSSOP-14），在其底部有一個(gè)散熱片。由于鋁基板成本極高，因此通常不會(huì)將驅(qū)動(dòng)電子組件裝在MCPCB上。大部分的應(yīng)用中，LED驅(qū)動(dòng)器必須克服高溫環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)FR4PCB散熱性能降低的問題。

當(dāng)LED直接由交換式穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)時(shí)，最令人擔(dān)憂的故障是輸出開路。一些LED驅(qū)動(dòng)器通常具有電流限制，但當(dāng)輸出電流被控制在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，最大的擔(dān)憂是其中一個(gè)LED發(fā)生開路的情形。這是LED最常見的故障，它造成回授路徑斷開，不管是哪種控制類型，結(jié)果都是輸出電壓的大幅上升。降壓穩(wěn)壓器還有一個(gè)安全問題，即VO只能上升到與VIN一樣高的準(zhǔn)位。因?yàn)樗鼈兊妮敵鲭妷簳?huì)上升，升壓和降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器必須采取預(yù)防措施，直至一個(gè)或多個(gè)電路組件發(fā)生故障。如同穩(wěn)壓器在遇到輸出短路時(shí)會(huì)重置、斷續(xù)或閉鎖(Latch-off)，LED驅(qū)動(dòng)器，特別是升壓或降壓--升壓類型的驅(qū)動(dòng)器，在發(fā)生輸出開路時(shí)應(yīng)提供自動(dòng)保護(hù)。如圖7所示，齊納二極管可用于使輸出電壓保持在一定范圍內(nèi)。齊納潰損電壓值應(yīng)設(shè)置于穩(wěn)壓器的最大VO之上，反向電流設(shè)置為1毫安，才可在故障狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間延長的情況下，將功耗降至最小。