高品質LED供電電源設計方案

半導體照明這一新興領域的出現，使同時專長于電力電子學、光學和熱管理學（機械工程）這三個領域的工程師成為搶手人才。目前，在三個領域都富有經驗的工程師并不很多，而這通常意味著系統(tǒng)工程師或者整體產品工程師的背景要和這三大領域相關，同時他們還需盡可能與其他領域的工程師協(xié)作。系統(tǒng)工程師常常會把自己在原有領域養(yǎng)成的習慣或積累的經驗帶入設計工作中，這和一個主要研究數字系統(tǒng)的電子工程師轉去解決電源管理問題時所遇到的情況相似：他們可能依靠單純的仿真，不在試驗臺上對電源做測試就直接在電路板上布線，因為他們沒有認識到：開關穩(wěn)壓器需要仔細檢查電路板布局；另外，如果沒有經過試驗臺測試，實際的工作情況很難與仿真一致。

在設計LED燈具的過程中，當系統(tǒng)架構工程師是位電子電力專家，或者電源設計被承包給一家工程公司時，一些標準電源設計中常見的習慣就會出現在LED驅動器設計中。一些習慣是很有用的，因為LED驅動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。這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的挑戰(zhàn)。

電力電子工程師習慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度，但這對LED驅動器設計而言并不是很好的習慣。諸如FPGA和DSP之類的數字負載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴格的控制，以防止出現較高的誤碼率。因此，數字電源軌的公差通常會控制在±1%以內或比它們的標稱值小，也可用其絕對數值表示，如 0.99V至1.01V。在將傳統(tǒng)電源的設計習慣引入LED驅動器設計領域時，通常帶來的問題是：為了實現對輸出電流公差的嚴格控制，將浪費更多的電力并使用更昂貴的器件，或者二者兼而有之。

成本壓力

理想的電源是成本不高，效率能達到100%，并且不占用空間。電力電子工程師習慣了從客戶那里聽取意見，他們也會盡最大力量去滿足那些要求，力圖在最小的空間和預算范圍內進行系統(tǒng)設計。在進行LED驅動器設計時也不例外，事實上它面對更大的預算壓力，因為傳統(tǒng)的照明技術已經完全實現了商品化，其價格已經非常低廉。所以，花好預算下的每一分錢都非常重要，這也是一些電力電子設計師工程師被老習慣“引入歧途”的地方。

要將LED電流的精確度控制到與數字負載的供電電壓的精度相同，則會既浪費電，又浪費成本。100mA到1A是當前大多數產品的電流范圍，特別是目前 350mA（或者更確切地說，光電半導體結的電流密度為350mA/mm2）是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案?？刂芁ED驅動器的集成電路是硅基的，所以在1.25 V的范圍內有一個典型的帶隙。要在1.25V處達到1%的容差，亦即需要±12.5mV的電壓范圍。這并不難實現，能達到這種容差或更好容差范圍的低價電壓參考電路或電源控制IC種類繁多，價格低廉。當控制輸出電壓時，可在極低功率下使用高精度電阻來反饋輸出電壓（如圖1a所示）。為控制輸出電流，需要對反饋方式做出一些調整，如圖1b所示。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡單的手段。

圖1a：電壓反饋; 圖1b：電流反饋

深入研究之后，就會發(fā)現這種做法的一個主要缺點是：負載和反饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與LED串聯的一個電阻上，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驅動集成電路的參考電壓要遠低于現在的產品，這類似于電池充電器。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電阻。在圖1b所示的簡單的低端反饋環(huán)境下，200mV是常規(guī)的電壓選擇。但是，要在200mV參考電壓下實現±1% 的容差，則需要一個價格很高的集成電路，此時相對于標稱參考電壓的容差為±2mV。盡管這并不是不可能實現的，不過更高的精度需要更高的成本?！?mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產、測試和分檔技術，此時，附加成本應花費在更智能的LED驅動器上。新的費用的價值是增加了一個反饋回路，借助該回路，可以利用光輸出（而非電流輸出）來控制如何驅動LED。

測量光輸出

就像數字產品設計師在電源設計中遇到不確定問題時會采取仿真解決問題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構師在進行LED燈具設計時會想到高精度的輸出。 LED制造商已經清楚的表明，光通量與前向電流成正比。利用相同的電流驅動所有LED，那么每個LED會產生相同的光通量。因此，電力電子工程師就會得出結論：高精確度的電流是必須的。這樣一來，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。測量電流是很容易的，而相對的，測量光則需要昂貴的大型設備，如圖2所示的積分球，而大部分電子工程師對積分球都不太了解。

圖2：光學積分球截面圖

另外，即使容差為±0.1%的電流源（其價格會相當高）有巨大的市場價值，它對在實際光輸出中產生嚴格的容差值上沒有什么作用。通過觀察LED 光通量的分檔可以確定這一點。表1給出了世界三大頂級電力光電半導體制造商的高端冷白光LED在350mA和25？C條件下的光通量分檔結果。注意最后一列是各分檔的容差平均值，而不是所有光通量分檔范圍內的容差。

表1 世界三大頂級電力光電半導體制造商的高端冷白光LED在350 mA和25？C下的光通量分檔結果。

計算光輸出精度

了解到來自單個通量分檔的LED光輸出會有±3%到±10%的容差之后，系統(tǒng)工程師可能會因此得出結論：驅動電流容差值必須是越嚴格越好。然而從統(tǒng)計學角度來看，該觀點并不正確。一個常見的但不正確的假設是：任何值的整體容差都等于最壞條件下各值的簡單累加。為LED供電的電流源的容差和LED 光通量的容差是互不相關的 - 它們在最初階段就已相互獨立。對于不相關的兩個因子X和Y，整體容差Z并不是X和Y的容差之和，而是應該利用下述表達式進行計算：


表2和圖3給出了整體容差和假設電流源容差的對比情況，此時假設LED光輸出在350mA的區(qū)域內隨前向電流呈線性變化。
　

圖3：整體容差和假設電流源容差的對比情況。

根據方程（1）可以發(fā)現，最低容差因子的作用大于其他，而且實際的整體容差值要遠優(yōu)于各個因子在最壞情況下的容差和，尤其是當其中一個因子遠好于其他因子時。由圖3可知，電流源容差的最合理目標是將其控制在LED光輸出的容差范圍內。請記?。撼鲇诔杀究紤]，許多燈具會使用來自不同分檔的LED。表3列出了相同LED所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值。

表3 相同LED所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值

調光控制

LED制造商和他們的分銷伙伴正努力地改進產品的光通量容差，在合理的成本范圍內提供更細的分檔。對于那些希望產品可使用5年或50，000個小時，并在使用期內保持整體光輸出不變的設計師而言，即使想滿足最密集的通量分檔和設定0.1%的容差電流源也很難實現。因為熱量和隨著時間延長而產生的性能衰減等兩個重要因素會降低LED的光通量，即使電流源容差和LED光通量容差都達到0.001%也無法解決該問題?？紤]到這些損耗，高質量固態(tài)照明產品設計師必須找到具有額外反饋回路的電源，也即找到熱量和光源。為此需要進行調光控制，那些可以對輸出電流進行線性控制和PWM控制的集成電路便成為最佳選擇。

例如，美國國家半導體的LM3409和LM3424都是LED驅動器控制IC，它們是適用于半導體照明的第二代電流源。兩款產品均可通過可變電阻器或電壓源來控制平均的LED電流值，并且可為PMW調光信號提供專門的輸入信號。除了線性控制回路外，LM3409和LM3424的模擬調節(jié)功能也令系統(tǒng)設計師可以在權衡輸出電流精度及尺寸、成本和電流檢測電阻的功耗間做出自己的選擇。圖4所示的LM3409/09HV控制降壓電路，是功率LED驅動器中最常用的電路模式。圖5中的LM3424可以作為升壓穩(wěn)壓器LED驅動器，也可以作為降壓/ 升壓、SEPIC、反激式甚至是“懸浮”降壓電路。

圖4：LM3409/09HV降壓LED驅動器

圖5：LM3424升壓LED驅動器

需要光控制的應用領域

路燈是一個很好的光源示例，因為它有嚴格的法定標準限制。對于公路用路燈，歐盟國家規(guī)定了其最小和最大的光輸出及照明模式。對于符合此規(guī)定并提供五年或更長使用壽命的LED路燈來說，設計時必須考慮到熱量引起的即時光通量損失，以及更長時間下性能下降帶來的通量損失。

一種很自然的方法是使用光傳感器，比如構成線性控制回路的光電二極管。在系統(tǒng)啟用的第一天，就應該只使用整體可用驅動電流的一部分，這樣做是考慮到隨著時間推移，驅動電流將慢慢增至一個上限，籍此保證光輸出恒定?？梢詫⒐怆姸O管偏置，并轉換為一路脈寬調制信號，這將有助于在調光范圍內維持更加恒定的相對色溫，其線性控制回路更加簡單，一般而言調光范圍也比較小。根據不同的時間、運動傳感器或其他節(jié)省功耗的措施，對光輸出進行控制時，PWM控制將更加有用。圖6給出了具有更長壽命、光輸出恒定的LED燈的假定原理框圖。

圖6：PWM（脈寬調制）用于日/夜控制，線性控制用于光輸出。
本文小結

輸出電流精度只是評價LED驅動器性能的一個方面，但是當LED本身的光通量容差保持在遠高于±1%的水平時，即使對電流源容差和數字處理器中電壓軌的容差要求一樣嚴格，也幾乎沒有任何意義，平均LED電流容差應當幾乎等于光通量容差。本文基于單個分檔的誤差探討了一種理想情況，并給出了一些實際的例子，這些例子使用兩個或更多分檔的LED，其容差也可更輕松地達到±5%、±10%或更高。在額外的控制回路中，應該將成本開銷用于1%的電流控制，并可將電力用在更高的檢測電壓方面。有些LED燈會更強調簡單實用和低成本，此時即使采用線性調光也會顯得過于復雜和昂貴，但如果想要設計出發(fā)揮 LED全部性能的燈具，就需要使用線性控制或PWM方式或者二者協(xié)調使用，從而令產品性能和壽命達到最優(yōu)。