LED 前景光明

　　背景

　　在種類(lèi)繁多的照明應用中，LED 的采用勢頭持續強勁。這種始終如一的強勁勢頭意味著(zhù)，提供LED 驅動(dòng)器IC 的模擬IC 供應商會(huì )有良好的業(yè)務(wù)勢頭。在過(guò)去一年中，高亮度(HB) LED 達到了一些關(guān)鍵的性能標準，這導致對LED 驅動(dòng)器IC 需求的大幅增長(cháng)，這類(lèi)IC 是在所有最終市場(chǎng)應用中為L(cháng)ED 供電所必需的。

　　對LED 驅動(dòng)器IC 的需求目前處于后萌芽階段，通過(guò)研究幾種將使該需求進(jìn)入加速增長(cháng)階段的促進(jìn)因素，我們發(fā)現，LED 顯然將迅速成為主流照明源。一些主要的驅動(dòng)因素是：汽車(chē)照明、大型平板高清(HD) LCD電視機、手持式設備、LED 光輸出、LED 的成本因素、以及LED 取代白熾燈這種潛在用途。

　　奧迪公司是第一家在多種車(chē)型中使用LED 前燈的汽車(chē)制造商，早在2008 年就開(kāi)始使用了。奧迪的汽車(chē)照明系統包含兩個(gè)起主要作用的近光前燈，該系統由兩個(gè)LED 陣列組成，每個(gè)LED 陣列都含有4 個(gè)有源組件。另外3 個(gè)LED 陣列(每個(gè)含有兩個(gè)LED IC) 位于光學(xué)透鏡的后面，它們的任務(wù)是控制明/ 暗分界線(xiàn)和前燈照明范圍。就遠光前燈而言，4 個(gè)LED 陣列位于與近光陣列相鄰的地方?？拷彰飨到y的下邊緣，一排24 個(gè)LED 組成白天行車(chē)燈(DRL)。不過(guò)，正是這些白天行車(chē)燈使奧迪汽車(chē)外觀(guān)新穎和令人興奮，奧迪汽車(chē)的外觀(guān)非常受購車(chē)一族的歡迎。不久以后，很多其他制造商都跟風(fēng)而上，奔馳(Mercedes)、捷豹(Jaguar)、雷克薩斯(Lexus) 和保時(shí)捷(Porsche) 等等，也都提供類(lèi)似的白天行車(chē)燈了。

　　而LED 前燈系統在采用上卻落后了，這主要是成本原因。不過(guò)，2011 年出現的一些早期跡象似乎表明這種狀況將開(kāi)始發(fā)生變化，因為事實(shí)上，LED 允許設計時(shí)更加靈活地進(jìn)行選擇，同時(shí)LED 效率的提高使成本/性能得到了更有利的平衡。因此，現在我們看到，凱迪拉克(Cadillac)、豐田(Toyota) 和雷克薩斯(Lexus) 的各種車(chē)型都將LED 前燈作為可選配件提供。例如，凱迪拉克凱雷德(Cadillac Escalade)、雷克薩斯LS600H(Lexus LS600H)和豐田普銳斯(Toyota Prius)，都可以選配LED 前燈。

　　LED 驅動(dòng)器IC 用來(lái)驅動(dòng)給高清平板電視機提供背光照明的LED 時(shí)有很多優(yōu)勢。這些IC 使LED 驅動(dòng)器電路解決方案能做到纖巧、緊湊和扁平。這些IC 還以高開(kāi)關(guān)頻率工作，以在基于充電泵的拓撲中減小輸出電容器的電容值、尺寸和成本。在基于電感器的DC/DC 開(kāi)關(guān)拓撲中，這種高開(kāi)關(guān)頻率減小了電感器和輸出電容器的值、尺寸和成本。此外，在有些情況下，LED 驅動(dòng)器IC 可能包括內置的肖特基二極管和升壓二極管，因此減少了外部組件的數量。這反過(guò)來(lái)又減小了設計復雜性、解決方案尺寸和成本。

　　從運動(dòng)圖像模糊到彩色再現，LCD 高清電視機(HDTV) 有各種缺點(diǎn)。也就是說(shuō)，就目前一代LCD HDTV 而言，無(wú)法實(shí)現真正的黑色，而且所有顏色的動(dòng)態(tài)范圍都較低。傳統的HDTV 是用CCFL 管進(jìn)行背光照明的，僅能提供450 至650cd/m2的對比度。這些HDTV 的主要問(wèn)題是，CCFL 背光照明不能徹底關(guān)斷或局部地調光。

　　相反，如果采用高亮度LED 背光照明，那么背光照明“群”中的LED 陣列(就46 英寸顯示器而言，多達1,600 個(gè)LED) 可以局部調光或關(guān)斷，從而實(shí)現比CCFL 設計幾乎高一個(gè)數位級的對比度(>4,000cd/m2)。此外，通過(guò)調整背光照明LED 群的亮度，可以再現更多中間色調的顏色，從而使畫(huà)面更加生動(dòng)。另一個(gè)好處是，能徹底地局部關(guān)斷LED，從而減輕了運動(dòng)圖像模糊問(wèn)題。通過(guò)在幀之間徹底關(guān)斷LED，幾乎消除了與快速運動(dòng)物體有關(guān)的圖像模糊問(wèn)題。此外，在解決CCFL 背光照明LCD 電視機平常遇到快速運動(dòng)圖像模糊問(wèn)題時(shí)，LED 非常高的響應速度就至關(guān)重要。

　　今天很多移動(dòng)電話(huà)有內置數碼相機功能，能拍攝高分辨率靜止圖像和視頻。相機性能的提高也導致需要大功率白光光源，以在室內或在昏暗的環(huán)境光線(xiàn)條件下使用相機。在配備相機的蜂窩電話(huà)中，白光LED 已經(jīng)成為主要的光源，因為白光LED 擁有新式蜂窩電話(huà)設計師所希望的各種特點(diǎn)：小尺寸、大的光輸出、能提供“閃光燈”和連續“視頻”物體照明。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)用作集成式相機光源的大輸出功率LED。

　　類(lèi)似地，幾乎任何電池供電的消費類(lèi)手持式設備都用彩色有源矩陣LCD 來(lái)顯示用戶(hù)所需的不同類(lèi)型信息和數據。然而，制造商面臨的挑戰是，確保用戶(hù)在任何類(lèi)型的環(huán)境中都能從這些顯示屏上讀取信息。為了達到這個(gè)目的，制造商必須提供具恰當背光照明量的彩色LCD。這種背光照明通常由白光LED 提供，視顯示屏尺寸的不同而有所不同，白光LED 采用了各種不同的組合形式。這反過(guò)來(lái)又導致了對緊湊、高效率和低噪聲LED 驅動(dòng)器IC 的需求，因為需要這類(lèi)驅動(dòng)器IC 為白光LED 供電。

　　促進(jìn)LED 市場(chǎng)增長(cháng)的重要因素

　　大功率或高亮度LED 的光輸出已經(jīng)超過(guò)每Watt 100 流明這個(gè)關(guān)鍵的里程碑，甚至有些制造商自稱(chēng)，在實(shí)驗室中已經(jīng)達到了每Watt 200 流明。這意味著(zhù)，就能效而言，LED 現在已經(jīng)超過(guò)了CFL (每Watt 80 流明)。然而，進(jìn)一步的預測顯示，到2012 年，LED 將達到每Watt 150 流明的光輸出。另一個(gè)優(yōu)勢是LED 的長(cháng)壽命。視計算方法的不同而不同，白光LED 燈的壽命至少為1 萬(wàn)小時(shí)，有些甚至聲稱(chēng)達到了5 萬(wàn)小時(shí)。此外，LED 是“綠色”產(chǎn)品，因為它們不含任何有害材料。

　　這些進(jìn)步具有重要意義，因為美國能源部公布，在美國所發(fā)電量中，照明消耗占22%。廣泛使用LED 照明可能使照明耗電量減半。從另一個(gè)角度來(lái)理解，到2027 年，LED 照明有可能使每年能源使用量減少相當于5 億桶石油，同時(shí)還伴隨著(zhù)二氧化碳排放量的減少。

　　LED 照明的成本已經(jīng)非常迅速地下降了。單個(gè)白光LED (幾個(gè)白光LED 組成一個(gè)LED 燈，LED 占LED 燈的大部分成本) 的價(jià)格幾年前大約為5 美元，過(guò)去一年中，已經(jīng)降至不到1 美元了。很多LED 行業(yè)的分析師都預測，在未來(lái)一年內，LED 燈的價(jià)格將達到消費者可以接受的程度，LED 燈將取代白熾燈。有些LED 制造商宣布，已經(jīng)設計出了能為L(cháng)ED 燈供電的發(fā)光芯片，能使LED 燈產(chǎn)生可與家庭中極其普遍地使用的75W 白熾燈相比的光輸出。這種類(lèi)型的LED 芯片為了能提供這樣的光輸出量，通常需要12W 至15W 的功率。

　　高亮度LED 給驅動(dòng)器IC 帶來(lái)了怎樣的挑戰?

　　今天，LED 驅動(dòng)器IC 必須具有的一個(gè)關(guān)鍵性能特點(diǎn)是能給LED 充分調光。既然LED 是用恒定電流驅動(dòng)的，其中DC 電流值與LED 的亮度成正比，那么要改變LED 的亮度，就有兩種通過(guò)控制LED 電流來(lái)調光的方法。第一種方法是模擬調光，在這種方法中，通過(guò)降低恒定LED 電流值，成比例地降低LED 的DC 電流值。降低LED 電流可能導致LED 顏色的改變或不準確的LED 電流控制。第二種方法是數字或脈沖寬度調制(PWM) 調光。PWM 調光以等于或高于100Hz 的頻率通斷LED，人眼對這種頻率的通斷察覺(jué)不到。PWM 調光的占空比與LED 亮度成正比，同時(shí)，在接通時(shí)LED 電流保持同一個(gè)值不變(如LED 驅動(dòng)器IC 所設定的那樣)，從而在高調光比時(shí)保持LED 顏色不變。在某些應用中，使用這種PWM 調光方法能提供高達3000:1 的調光比。

　　凌力爾特公司的LED 驅動(dòng)器IC采用既滿(mǎn)足輸入電壓范圍要求、又滿(mǎn)足所需輸出電壓和電流要求的轉換拓撲，尤其在驅動(dòng)高亮度LED 的情況下，能為很多不同類(lèi)型的LED 配置提供充足的電流和電壓。因此，凌力爾特公司的高亮度LED 驅動(dòng)器IC 一般具有以下特點(diǎn)：

1. 　　寬輸入電壓范圍
2. 　　寬輸出電壓范圍
3. 　　高效率轉換
4. 　　嚴格調節的LED 電流匹配
5. 　　低噪聲、恒定頻率工作
6. 　　獨立的電流和調光控制
7. 　　寬調光比范圍
8. 　　小型緊湊的占板面積，所需外部組件最少

　　凌力爾特公司擁有種類(lèi)繁多的產(chǎn)品以滿(mǎn)足LED 驅動(dòng)設計需求，其中的兩個(gè)例子是LT3754 和LT3956。

　　當白光LED 用于大型平板顯示器的背光照明時(shí)，凌力爾特公司推出的新產(chǎn)品LT3754能解決與驅動(dòng)白光LED 有關(guān)的設計問(wèn)題。LT3754 是一款創(chuàng )新性L(fǎng)ED 驅動(dòng)器IC，可用于配備了26 英寸或更大尺寸平板顯示屏高清電視機。這款升壓模式LED 驅動(dòng)器有16 個(gè)單獨的通道，每個(gè)通道具有約3.2V 的Vf，能驅動(dòng)由多達一個(gè)由15 個(gè)50mA LED 組成的LED 串。因此，每個(gè)LT3754 能驅動(dòng)多達240 個(gè)50mA 的白光LED。結果，一個(gè)26 英寸的LCD 高清電視機也許僅需要一個(gè)LT3754，就能提供必需的背光照明。所有16 個(gè)通道都通過(guò)單個(gè)PWM 輸入控制，能提供高達3,000:1 的PWM 調光比。

　　LT3754 使用一個(gè)小型電感器和甚至更纖巧的陶瓷輸出電容器。惟一需要的其他組件是單個(gè)輸入電容器、MOSFET 和一個(gè)電流設定電阻器，如圖1 所示。每個(gè)通道都跟隨一個(gè)可編程設定的主電流，以允許每串LED 有10mA 至50mA 的LED 電流。這些通道還可以并聯(lián)，以提供更大的LED 電流。輸出電壓適應LED Vf 的變化，以實(shí)現最佳效率，開(kāi)路LED 故障不影響所連接的其他LED 串的工作。LT3754 采用緊湊型32 引腳、5mmx 5mm QFN 封裝。

　　圖1：38W LED 驅動(dòng)器驅動(dòng)16 串每串有15 個(gè)50mA LED 的LED 串

　　16 STRINGS 50mA UP TO 45V：16 串，50mA，高達45V

　　現在，用一個(gè)由18 個(gè)串聯(lián)LED 組成的陣列可以配置一個(gè)25W 的白光LED 前燈，流過(guò)LED 的350mA 電流可產(chǎn)生需要的光輸出。不過(guò)，一個(gè)主要的障礙是，如何高效率、簡(jiǎn)單地驅動(dòng)這樣一個(gè)配置。一個(gè)可能的解決方案是，使用凌力爾特公司最近推出的LT3956 單片LED 驅動(dòng)器。LT3956 是一款DC/DC 轉換器，為作為恒定電流和恒定電壓調節器工作而設計。它非常適用于驅動(dòng)大電流、高亮度LED (參見(jiàn)圖2)。

　　圖2：效率為94% 的25W 白光LED 前燈驅動(dòng)器

　　TRANSIENT：瞬態(tài)

　　LED STRING：LED 串

　　LT3956 包括一個(gè)額定值為84V/3.3A 的內部低壓側N 溝道功率MOSFET，用內部調節的7.15V 電源驅動(dòng)。其固定頻率、電流模式架構可在寬的電源和輸出電壓范圍內實(shí)現穩定工作。一個(gè)以地為基準的電壓反饋(FB) 引腳用作幾種LED 保護功能的輸入，還使該轉換器能作為恒定電壓源工作。頻率調節引腳允許用戶(hù)在100kHz 至1MHz 范圍內設定頻率，以?xún)?yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

　　LT3956 在LED 串的高壓側檢測輸出電流。就驅動(dòng)LED 而言，高壓側檢測是最靈活的方法，允許升壓、降壓或降壓-升壓模式配置。PWM 輸入提供高達3,000:1 的LED 調光比，而CTRL 輸入提供額外的模擬調光功能。

　　結論

　　用LED 驅動(dòng)器驅動(dòng)的任何LED 都必須能以最低功率提供必需的光輸出量，這樣才不會(huì )在最終系統中引起顯著(zhù)的熱量設計限制。幸運的是，就照明設計師而言，既存在高效率LED，又存在高性能LED 驅動(dòng)器，可提供他們最需要的特性：以適中的功率和情合理的成本下提供大量光輸出。