在LED設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

過(guò)去幾年來(lái)，高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)在每封裝流明輸出和光效(單位為l m/w)方面的性能快速提升。商用的1W LED已提供有冷色溫LED(色溫5000K)的每封裝流明輸出超過(guò)1001m，光效達(dá)1001m/W ，而相同功率等級(jí)的暖色溫白光LED(色溫3000～3500K)也超過(guò)了70～801m。與兩年前相比，這些性能等級(jí)提高了30%～40%。有了這樣的性能，LED如今正逐步發(fā)展成為眾多高性能應(yīng)用中傳統(tǒng)白熾燈、鹵素?zé)艉蜔晒鉄舻那袑?shí)可行的替代光源。因此，固態(tài)照明(ssL)相當(dāng)多地滲入到了汽車(chē)、商業(yè)和景觀照明，以及城市街道照明之中。LED還能用于新應(yīng)用，如基于實(shí)際太陽(yáng)能板的遠(yuǎn)程照明，因?yàn)檫@很容易借可充電電池產(chǎn)生LED所要求的直流驅(qū)動(dòng)電流。此外，如果恰當(dāng)設(shè)計(jì)，LED燈具的工作壽命可達(dá)3～595小時(shí)，因而顯著降低替代燈泡方面常見(jiàn)的維護(hù)成本。

然而，就控制及驅(qū)動(dòng)這些LED而言，在使用方面存在不少矛盾之處。例如，許多照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用或修改的已有電源方案并沒(méi)有充分顧及HB-LED的獨(dú)特驅(qū)動(dòng)要求。如果設(shè)計(jì)人員要優(yōu)化LED照明所能提供的優(yōu)勢(shì)，必須仔細(xì)考慮驅(qū)動(dòng)及控制這些器件所使用的技術(shù)，從而提供高能效及高性價(jià)比的方案。HB-LED照明系統(tǒng)的主要組件包括LED發(fā)射器、電源轉(zhuǎn)換、控制及驅(qū)動(dòng)、 熱管理，以及眾多應(yīng)用中會(huì)涉及到的光學(xué)組件。如果不充分考慮所有這些組件，相應(yīng)的LED照明系統(tǒng)就不太可能得到優(yōu)化。LED與大多數(shù)燈泡不一樣，是帶有指向性的光源，故在諸多應(yīng)用中，使用鏡頭、反射鏡或擴(kuò)散板來(lái)提供所需的發(fā)光圖案以及燈具的照明外觀至關(guān)重要。同樣，如果不恰當(dāng)處理熱管理問(wèn)題，照明系統(tǒng)的工作壽命也會(huì)大幅縮短，從而沖抵使用長(zhǎng)壽命 L E D的主要優(yōu)勢(shì)。電源和驅(qū)動(dòng)方面對(duì)照明系統(tǒng)的長(zhǎng)期工作同等重要。HB-LED照明設(shè)計(jì)中的供電電壓源取決于所投入應(yīng)用的類(lèi)型。就建筑物及室內(nèi)照明而言，電壓源通常是交流主電源。戶外照明可能采用寬泛穩(wěn)壓的電源，如低壓交流電源、帶備用電池的太陽(yáng)能板或交流主電源。在汽車(chē)應(yīng)用中，電源通常是鉛酸電池 (12Vdc)。

如果沒(méi)有某種形式的電源轉(zhuǎn)換，應(yīng)當(dāng)避免使用電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)射器，這是由于正常的電壓波動(dòng)會(huì)造成LED電流大幅變化，因?yàn)長(zhǎng)ED的電壓/電流(V/I)曲線非常陡峭；在不同驅(qū)動(dòng)電流、溫度和生產(chǎn)(不同批次)差異條件下，LED正向電壓變化范圍較寬。此外，出于安全因素，大多數(shù)交流主電源應(yīng)用都有基于電子開(kāi)關(guān)電源或磁變壓器的隔離電源轉(zhuǎn)換，將高線路電壓轉(zhuǎn)換為適合驅(qū)動(dòng)LED的安全低電壓。

LED驅(qū)動(dòng)電路的其中一項(xiàng)主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)電路必須符合能效、電容容限、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。與此同時(shí)，所選的方法必須易用及足夠強(qiáng)固，從而適應(yīng)特定應(yīng)用的極端環(huán)境。

有幾種不同的穩(wěn)流方法。采用固定電壓電源供電的電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的穩(wěn)流方法。實(shí)際上，它們并不穩(wěn)流，只是在LED正向電壓變化及源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起亮度變異時(shí)，簡(jiǎn)單地限制最大電流。對(duì)于低電流指示器應(yīng)用而言，這可能可以接受，但隨著電流增大及串聯(lián)的LED數(shù)量增加，問(wèn)題就出現(xiàn)了。要克服這個(gè)問(wèn)題，需要費(fèi)錢(qián)又費(fèi)時(shí)地對(duì)LED進(jìn)行編碼及選擇恰當(dāng)?shù)碾娮鑱?lái)匹配LED串正向電壓。即使采取這些步驟，仍然會(huì)有由輸入電壓變化導(dǎo)致的亮度變化問(wèn)題。

另一種穩(wěn)流方法選擇是恒流線性穩(wěn)壓器(CCR)。它們易于設(shè)計(jì)，能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性，如高溫時(shí)電流反走及調(diào)光控制。CCR可以涵蓋簡(jiǎn)單的雙端穩(wěn)壓器到靈活的可調(diào)節(jié)電流設(shè)定點(diǎn)線性穩(wěn)壓器集成電路。CCR的主要局限是輸入電壓源必須永遠(yuǎn)高于輸出正向電壓以恰當(dāng)工作，而且它們可能能效較低，熱耗散較高。后一點(diǎn)(Ul熱耗散)是LED驅(qū)動(dòng)電流、輸入電源變化及正向電壓變化的直接函數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)及選擇過(guò)程中，封裝及總體散熱能力是關(guān)鍵考慮因素。通常線性驅(qū)動(dòng)器能并行配置以擴(kuò)散熱耗散，或者必須裝配在有散熱能力的封裝內(nèi)。

出于能效因素及靈活性，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器被廣泛使用。這種方法成本較高，技術(shù)也較復(fù)雜，但能提供顯著優(yōu)勢(shì)，如支持任何類(lèi)型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，且根據(jù)輸入/輸出條件，能效高于90%。與線性穩(wěn)壓器不同，它們對(duì)電磁干擾(EMI)很敏感，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)另一項(xiàng)需要注意的設(shè)計(jì)約束。對(duì)于中到大功率應(yīng)用或涉及寬輸入電壓范圍的應(yīng)用而言，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇;且許多應(yīng)用中優(yōu)化了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器型LED驅(qū)動(dòng)器，從而應(yīng)用LED調(diào)光控制。

由于LED發(fā)射的光與通過(guò)LED的平均電流成正比，CCR同樣也提供調(diào)節(jié)光輸出的能力，通過(guò)模擬或數(shù)字脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)提供調(diào)光。模擬方法注入模擬信號(hào)至反饋電壓，從而使平均輸出電流減小。數(shù)字方法使用輸入PWM信號(hào)來(lái)抑制穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)，并降低平均輸出電流。典型調(diào)光頻率介于200Hz與1O00Hz之間，因?yàn)槿搜鄄荒懿煊X(jué)頻率高于l00Hz時(shí)的細(xì)微變化。

三種基本的驅(qū)動(dòng)器/穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別是降壓、升壓、降壓一升壓(又稱(chēng)為單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱(chēng)SEPI C)。在降壓電路中，最低輸入電壓(Vin)在所有工作條件下永遠(yuǎn)高于LED串的最大電壓，而在最大輸入電壓始終低于LED串最小電壓時(shí)使用升壓電路。由于恒流驅(qū)動(dòng)器的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬性，它要求額外的電路，用于LED開(kāi)路及輸出短路保護(hù)。