高功率驅(qū)動(dòng)IC把關(guān)電壓/電流提升照明可靠度

驅(qū)動(dòng)IC規(guī)格為決定LED燈泡光輸出表現(xiàn)的重要關(guān)鍵。LED燈泡若受到過(guò)高電壓或電流時(shí)，將嚴(yán)重影響其發(fā)光表現(xiàn)，甚至導(dǎo)致?lián)p壞，因此，在LED驅(qū)動(dòng)IC中，應(yīng)設(shè)有精密的升降壓以及電流密度控制功能，以維持LED燈泡穩(wěn)定發(fā)光表現(xiàn)。

　　2013年3月出現(xiàn)很多與發(fā)光二極體(LED)相關(guān)的新聞事件，這并不是偶然，實(shí)際上是源自多年以來(lái)業(yè)界共同努力的累積以及眾多協(xié)同技術(shù)的突破，讓LED產(chǎn)品逐步被市場(chǎng)接受。

　　第一則新聞來(lái)自于科銳(CREE)，這是一家知名的LED照明和半導(dǎo)體產(chǎn)品制造商。他們推出了一個(gè)顛覆傳統(tǒng)的LED燈泡系列，并且相信這系列的零售價(jià)位將提高其客戶的產(chǎn)品接受度。該公司聲稱新型Cree燈泡系列的設(shè)計(jì)壽命達(dá)25,000小時(shí)，零售價(jià)格為12.97美元，可用于取代60瓦(W)暖光照明白熾燈泡，其耗電相較于傳統(tǒng)白熾燈節(jié)省84%。此外，對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)更重要的是，Cree還聲稱如果把家中五個(gè)最頻繁使用的白熾燈泡更換為Cree的LED燈泡，消費(fèi)者每年能節(jié)省的電費(fèi)高達(dá)61美元(折合新臺(tái)幣約1,780元)。

　　不僅如此，Cree還進(jìn)一步拓展行銷(xiāo)通路，讓家得寶(The Home Depot)連鎖店成為此類LED燈泡的獨(dú)家供貨管道，此舉可以確保一般大眾能夠在離家很近的地方購(gòu)買(mǎi)這些LED燈泡，并能夠得到充足的供應(yīng)來(lái)源。

　　第二則新聞則是著名的舊金山海灣大橋(San Francisco Bay Bridge)的懸掛區(qū)塊，在過(guò)去18個(gè)月里，照明設(shè)計(jì)公司從橋塔和懸索的頂端到橋面共懸掛兩萬(wàn)五千顆LED燈。該專案由一家名為BayLights的公司負(fù)責(zé)推動(dòng)，該公司創(chuàng)立不斷變化和更替的演算法使LED照明充滿活力，該公司對(duì)每盞燈進(jìn)行個(gè)別控制，讓其產(chǎn)生的照明圖案在2年的專案期內(nèi)將是獨(dú)一無(wú)二。照明系統(tǒng)由飛利浦(Philips)子公司色彩動(dòng)力(Color Kinetics)開(kāi)發(fā)，其設(shè)計(jì)耗電較傳統(tǒng)(非LED型)解決方案減少85%。該專案由Philips Color Kinetics提供的專用LED是具有4,200K相關(guān)色溫的eWFlexSLX產(chǎn)品。

　　上述這兩個(gè)事件展現(xiàn)LED照明輸出(以每瓦流明(lm/W)來(lái)衡量)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，以及因LED燈泡安裝壽命長(zhǎng)，所帶來(lái)的年度電能節(jié)省效果而帶來(lái)的商業(yè)性。

　　LED燈泡具多重優(yōu)勢(shì)逐步取代CFL/白熾燈泡

　　毫無(wú)疑問(wèn)的，過(guò)去10幾年來(lái)，LED技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展，其亮度更高、效率也愈來(lái)愈好、使用時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)成本亦不斷降低，這些都源自散熱、封裝和工藝的進(jìn)步。與白熾燈泡不同的是，LED沒(méi)有燈絲，不會(huì)燒壞，并且是發(fā)出較冷的光。

　　大功率、高亮度(HB)LED輸出光已經(jīng)超越關(guān)鍵里程碑100lm/W，有的制造商宣布在實(shí)驗(yàn)室中已可制造大于230lm/W的輸出光。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是LED的使用壽命長(zhǎng)，白色LED燈泡使用壽命至少是5萬(wàn)小時(shí)，然而，白熾燈的壽命大約是1,000?2,000小時(shí)。

　　LED照明市場(chǎng)快速成長(zhǎng)的主要原因是LED照明耗電相對(duì)于傳統(tǒng)照明大幅度降低。與白熾燈照明相比，LED照明不到20%的用電量就能夠提供同樣的亮度(以流明表示)。正如表1所示，LED照明有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也有一些缺點(diǎn)。LED照明的優(yōu)點(diǎn)包括使用壽命比白熾燈遠(yuǎn)高出幾個(gè)層級(jí)，大幅度降低換燈泡的成本。LED燈泡使用舊有的交流矽控整流器(Triode for Alternating Current,TRIAC)調(diào)光器便能夠調(diào)光，這也是LED燈泡一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，特別是在取代型燈泡應(yīng)用中。

　　高功率驅(qū)動(dòng)IC把關(guān)電壓/電流　LED照明系統(tǒng)可靠度提升

　　不僅如此，LED燈能夠即時(shí)點(diǎn)亮，不像節(jié)能螢光燈(CFL)需要預(yù)熱時(shí)間，而LED燈對(duì)功率周期不敏感，這也與節(jié)能螢光燈不同。最重要的是，LED照明裝置不含任何有害材料，所以不須要處理或棄置這些有害物質(zhì)，而節(jié)能螢光燈則采用有害的水銀氣體才能工作。最后，LED燈泡可以實(shí)現(xiàn)非常小的外形封裝，而其他燈泡卻做不到。

　　以上種種因素造就LED燈泡可用在多種商業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，例如工廠的頂棚照明、大橋和大樓的室外建筑照明，以及體育場(chǎng)和其他大型活動(dòng)場(chǎng)地等照明應(yīng)用。

　　選擇適用驅(qū)動(dòng)ICLED受損害風(fēng)險(xiǎn)降低

　　LED是一個(gè)電氣等效(ELectrical Equivalent)的二極體，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，它便是由電流驅(qū)動(dòng)的元件。若以合適的電流驅(qū)動(dòng)LED，即可獲得一定的發(fā)光效率(lm/W)。若供電電流過(guò)小，LED燈泡就無(wú)法提供全光輸出。對(duì)于單個(gè)LED燈泡而言，這看起來(lái)不是大問(wèn)題，但是如果同時(shí)有很多LED燈泡串聯(lián)起來(lái)，在沒(méi)有均勻的電流支援下，輸出光將會(huì)有明顯的變化。

　　當(dāng)然，LED燈泡還須要克服固有的正向電壓降，這與LED類型以及終端裝置的配置有關(guān)。對(duì)于白光LED，其正向電壓降大約是3.5伏特(V)，但是在高溫時(shí)會(huì)大一些。結(jié)果顯示，LED正向電壓降與輸入電源有關(guān)。在不同的LED鏈配置下，例如，串聯(lián)(LED正向電壓降累積)、并聯(lián)(LED電流累積)，或者串聯(lián)起來(lái)的多個(gè)并聯(lián)鏈(LED正向電壓和電流累積)，LED正向電壓需要多種轉(zhuǎn)換架構(gòu)，不過(guò)，這將會(huì)使整體電路更加復(fù)雜。

　　以上簡(jiǎn)單敘述LED燈泡正常工作時(shí)需要什么條件，那么，如果出現(xiàn)對(duì)其工作或者驅(qū)動(dòng)積體電路(IC)電流工作有不利影響的因素，結(jié)果會(huì)如何呢?

　　答案是，會(huì)對(duì)LED燈輸出亮度產(chǎn)生不利影響，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。這些事件包括過(guò)壓(在開(kāi)路LED事件時(shí)會(huì)出現(xiàn))以及過(guò)電流事件(在短路或者重新插拔LED鏈時(shí)會(huì)出現(xiàn))。當(dāng)然，較差的散熱環(huán)境也會(huì)對(duì)LED燈使用壽命產(chǎn)生不利影響，因此，良好的散熱設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。

　　這就顯示了哪些因素會(huì)損害LED，甚至導(dǎo)致LED及其驅(qū)動(dòng)電路失效。在這些知識(shí)基礎(chǔ)上，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)審慎考量LED燈泡設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是LED驅(qū)動(dòng)電路的元件選擇標(biāo)準(zhǔn)等，從而保護(hù)LED不受損害。以下詳述各大關(guān)鍵因素。

　　為L(zhǎng)ED提供穩(wěn)定電流

　　LED驅(qū)動(dòng)IC非常關(guān)鍵，因?yàn)樵撛鎸?duì)各種各樣的輸入電源，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不同，LED驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)也各不相同，以把輸入電源轉(zhuǎn)化成所需要的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)最佳的LED性能。過(guò)壓或過(guò)流都會(huì)對(duì)LED使用壽命或光輸出造成不利影響，因此，電壓和電流越穩(wěn)定，系統(tǒng)就越可靠。所以，±5%范圍內(nèi)的穩(wěn)壓和穩(wěn)流有利于延長(zhǎng)LED使用壽命，減少使用故障。

　　LED驅(qū)動(dòng)電路須應(yīng)對(duì)異常瞬變電壓

　　為保護(hù)LED不受過(guò)壓的影響，首先須要求LED驅(qū)動(dòng)IC能夠處理比正常工作時(shí)更大的瞬變電壓。汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境是一個(gè)很好的實(shí)例，其負(fù)載突降時(shí)會(huì)達(dá)到42伏特，甚至更高。

　　保護(hù)LED不受過(guò)熱影響

　　LED照明裝置一般較小，沒(méi)有空間設(shè)置散熱片，甚至沒(méi)有風(fēng)扇進(jìn)行空氣對(duì)流散熱，因此，須要通過(guò)傳導(dǎo)來(lái)處理大部分散熱需求。業(yè)界在設(shè)計(jì)構(gòu)思階段就須要考慮良好的散熱功能，在此，使用轉(zhuǎn)換效率非常高的LED驅(qū)動(dòng)IC也會(huì)有很大的幫助。驅(qū)動(dòng)IC轉(zhuǎn)換效率愈高，轉(zhuǎn)換的能量損失就愈小，產(chǎn)生的熱量也就愈少，因此，效率90%以上的LED驅(qū)動(dòng)IC將有助于實(shí)現(xiàn)良好的散熱設(shè)計(jì)。

　　有助于散熱的另一個(gè)方法，是在LED中采用晶片內(nèi)溫度感測(cè)器，如果由系統(tǒng)控制器來(lái)監(jiān)視此溫度訊號(hào)，那么，控制器便可對(duì)系統(tǒng)總電流進(jìn)行節(jié)流，從而減少熱量的產(chǎn)生。當(dāng)然，這樣的代價(jià)是降低光輸出，但這會(huì)比整個(gè)系統(tǒng)失效好得多。故障狀態(tài)消失后，便可恢復(fù)正常工作。

　　最后，LED所采用的這些散熱方法也可以擴(kuò)展應(yīng)用到LED驅(qū)動(dòng)IC，在整個(gè)系統(tǒng)層級(jí)采用這些方法也是個(gè)不錯(cuò)的主意。

　　以下以業(yè)界高功率LED驅(qū)動(dòng)IC(圖1)為例，其具有相當(dāng)精密的降壓升壓LED控制器，無(wú)論輸入電壓高于、低于還是等于輸出電壓，驅(qū)動(dòng)IC都能實(shí)現(xiàn)固定輸出電壓。另外，與復(fù)雜低效的單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(Single-endedPrimaryInductorConverter,SEPIC)不同的是，此四路開(kāi)關(guān)同步單電感架構(gòu)不僅簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，而且還提高工作效率，從而降低熱耗。

　　圖1使用高轉(zhuǎn)換效率LED驅(qū)動(dòng)器的100瓦LED驅(qū)動(dòng)電路，峰值效率高達(dá)98.5%

　　從圖1的100瓦照明驅(qū)動(dòng)IC原理圖可以看出，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，輸出電壓/電流達(dá)到33.3伏特/3安培(A)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%。

　　該LED驅(qū)動(dòng)IC的關(guān)鍵特性包括高達(dá)60伏特的寬廣輸入和輸出工作電壓范圍。為能夠在燈鏈上實(shí)現(xiàn)最佳和均勻的LED輸出光，該顆驅(qū)動(dòng)IC還在線路、負(fù)載和溫度變化時(shí)，提供非常嚴(yán)格的±2%輸出電壓精度，以及±6%的LED電流精度和±6%輸入電流精度。

　　為方便使用，LED驅(qū)動(dòng)IC使用者可采用脈沖寬度調(diào)變(PWM)或類比調(diào)光，而四路開(kāi)關(guān)升降壓架構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)模式之間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，而且，在所有的模式中帶給LED的雜訊都非常低，包括VOUT接近于VIN的直通模式，這是很難做到的，尤其在這模式期間會(huì)出現(xiàn)負(fù)載瞬變事件。另外，為提高系統(tǒng)性能和可靠性，更提供輸入和輸出電流調(diào)節(jié)功能。此元件將應(yīng)用于周?chē)鷾囟茸兓^大的環(huán)境中，因此，高階LED驅(qū)動(dòng)IC更提供-40℃?+150℃之間的工作接面溫度范圍。

　　LED效率與其商業(yè)價(jià)格優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，使其提供超越許多照明應(yīng)用的特性。本文一開(kāi)始時(shí)提出的兩個(gè)例子，只是目前世界大量實(shí)際應(yīng)用的一小部分，現(xiàn)在LED照明時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。