LED 驅動(dòng)器 IC 可為眾多照明應用的發(fā)展起到引領(lǐng)作用

引言
在過(guò)去幾年，LED 市場(chǎng)已經(jīng)出現了大幅增長(cháng)。隨著(zhù)散熱、封裝和工藝方面取得的進(jìn)步，已經(jīng)實(shí)現了更高的亮度、更高的效率、更長(cháng)的壽命和更低的成本。與白熾燈泡不同，LED 沒(méi)有會(huì )燒斷的燈絲，而且它們的工作溫度往往較低。此外，白熾燈泡還將 90% 的電能以熱量的形式白白浪費掉了。順便說(shuō)一句，白熾燈泡的照明燈具設計之所以更像是散熱器 (而不是用于散播所產(chǎn)生之光線(xiàn)的外罩)，其原因就在于此。

大功率或高亮度 (HB) LED 的光輸出已經(jīng)超過(guò)了每瓦 100 流明 (即 100 lm/W) 這一具有里程碑意義的關(guān)鍵數值。實(shí)際上，有些制造商聲稱(chēng)，已經(jīng)在實(shí)驗室中實(shí)現了 200 lm/W 的光輸出。那么顯然，在發(fā)光效率方面，LED 已經(jīng)超過(guò)了白熾燈 (典型的 60W 白熾燈光輸出大約為 14 lm/W)?；蛘邠Q一種說(shuō)法，一個(gè)光源的光輸出量 (用流明來(lái)衡量) 與產(chǎn)生該光輸出所消耗的功率 (以瓦來(lái)衡量) 之比。即便如此，人們仍然預計，在未來(lái)一年，具 150 lm/W 光輸出的 LED 將能在市面上方便地買(mǎi)到。另一個(gè)好處是 LED 的壽命。視計算方式的不同，一個(gè)白光 LED 燈至少有三萬(wàn)五千小時(shí)的壽命，有些甚至聲稱(chēng)能長(cháng)達 10 萬(wàn)小時(shí)，而白熾燈的壽命大約為 1000 小時(shí)。為了正確理解這一點(diǎn)，來(lái)做一下如下計算，如果你每天使用一個(gè) LED 燈 10 小時(shí)，那么該 LED 燈應該能持續使用 9 年半時(shí)間，與標準白熾燈可憐的 1/3 年大相徑庭！

高亮度 LED 照明的成本也已經(jīng)非常迅速地下降了。過(guò)去幾年，單個(gè)白光二極管的價(jià)格已經(jīng)下降，今天價(jià)格已經(jīng)不到 1 美元了，一個(gè) LED 燈中有幾個(gè)這樣的二極管，這些二極管的成本占 LED 燈成本的大部分。很多 LED 行業(yè)分析師預測，今年，取代白熾燈的 LED 燈的價(jià)格將達到消費者可接受的程度。有些 LED 制造商宣布，已經(jīng)設計出了一些發(fā)光芯片，能使 LED 燈產(chǎn)生與大多數家庭中常見(jiàn)的 75W 白熾燈相媲美的光輸出。這類(lèi) LED 芯片通常僅需要大約 9W 功率，就能產(chǎn)生同樣的光輸出量。與光輸出量相同的白熾燈相比，9W 功率連其 1/8 都不到。不過(guò)，很少有人認識到，這些效率超乎尋常的 LED 燈的關(guān)鍵之處是，在 LED 燈內驅動(dòng) LED 所需的電路。令人難以置信的是，這種電路的核心是模擬 LED 驅動(dòng)器 IC。

今天，LED 驅動(dòng)器 IC 必須具有的一個(gè)主要的性能特點(diǎn)是能充分地對 LED 調光。既然 LED 是用恒定電流驅動(dòng)的，且 DC 電流值與 LED 亮度成正比，那么要通過(guò)控制 LED 電流來(lái)改變 LED 亮度，就有兩種調光方法。第一種方法是模擬調光，采用這種方法時(shí)，LED DC 電流值隨恒定 LED 電流值的降低成正比降低。降低 LED 電流可能引起 LED 色彩的變化，或者 LED 電流控制不準確。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 的頻率接通和斷開(kāi) LED，以這種頻率切換，人眼是察覺(jué)不到的。PWM 調光的占空比與 LED 亮度成正比，而在接通時(shí) LED 電流保持相同的值 (如 LED 驅動(dòng)器 IC 所設定)，從而在高調光比時(shí)保持了恒定不變的 LED 色彩。這種 PWM 調光方法在某些應用中使用時(shí)，能實(shí)現高達 30,000:1 的調光比。

尤其在驅動(dòng)高亮度 LED 的情況下，LED 驅動(dòng)器 IC 必須憑借既滿(mǎn)足輸入電壓范圍又滿(mǎn)足所需的輸出電壓及電流要求的轉換拓撲，為很多不同類(lèi)型的 LED 配置提供充足的電流和電壓。一個(gè)值得注意的例外是離線(xiàn)式 LED 應用，理想情況下，高亮度 LED 驅動(dòng)器 IC 應該具有以下特點(diǎn)：

A.寬輸入電壓范圍 ─ 高達 100V
B.寬輸出電壓范圍 ─ 高達 100V
C.高效率轉換 ─ 高達 98%
D.嚴格調節的 LED 電流匹配 ─ 隨溫度變化不到 5%
E.低噪聲、恒定頻率工作 ─ 高達 2.5MHz
F.獨立的電流和調光控制
G.寬調光范圍比 ─ 30,000:1
H.多種轉換拓撲，包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型和 SEPIC
I.很多保護功能，例如對 LED 串開(kāi)路和 LED 引腳至 VOUT 短路的保護以及準確的欠壓閉鎖門(mén)限
J.占板面積緊湊并需要最少外部組件的小型解決方案

汽車(chē)采用高亮度 LED 的例子
毫無(wú)疑問(wèn)，大部分汽車(chē)前燈仍然還是白熾燈。不過(guò)，白熾燈這種主導地位已經(jīng)開(kāi)始面臨來(lái)自高強度放電 (HID) 燈和高亮度 LED 燈的壓力。高強度放電燈包括所有用在普通照明應用中的高強度放電燈，例如高壓水銀蒸氣燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈以及金屬鹵化物燈。要在室內、建筑物或室外空間為工作或生活環(huán)境照明，普通照明光源已經(jīng)足夠亮了。這類(lèi)環(huán)境照明包括住宅照明、商業(yè)和工業(yè)照明、路燈以及汽車(chē)前燈。高強度放電氙燈是第一種用于汽車(chē)前燈的高強度放電燈，于 20 世紀 90 年代推出。不過(guò)，這類(lèi)燈的生產(chǎn)制造成本非常高，因此它們的使用一直僅限于高檔汽車(chē)。由于最近高亮度 LED 燈的推出，未來(lái)這類(lèi)高強度放電氙燈的使用將會(huì )迅速減少。因此，未來(lái) 10 年高亮度 LED 前燈的增長(cháng)率將是最高的。

汽車(chē)照明系統設計師面臨的最大障礙之一是，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 的所有特色和優(yōu)勢。既然 LED 一般需要一個(gè)準確和高效率的電流源和一種給 LED 調光的方法，那么 LED 驅動(dòng)器 IC 就必須設計為在種類(lèi)繁多的工作條件下滿(mǎn)足這些要求。此外，LED 的電源解決方案必須是高效率、堅固及可靠的，同時(shí)還必須非常緊湊并具有高成本效益。

可以說(shuō)，就驅動(dòng) LED 而言，要求最苛刻的應用之一將是前燈系統 (由遠光燈和近光燈、白天行車(chē)燈、霧燈以及轉向信號燈組成)，因為前燈處于嚴酷的汽車(chē)電氣環(huán)境中，同時(shí)還必須適應多種溫度條件的變化。而且，前燈必須總是能裝進(jìn)非常受限的空間中，成本結構也要有吸引力。

面向汽車(chē)前燈的新型 LED 驅動(dòng)器 IC
凌力爾特公司最近推出的 LT3791 是一款 4 開(kāi)關(guān)同步降壓-升壓型 LED 驅動(dòng)器和穩壓器控制器，非常適用于驅動(dòng)汽車(chē)前燈應用中的高亮度 LED?？刂破饔酶哂?、低于或等于輸出電壓的輸入電壓工作。該器件具 4.5V 至 60V 的寬輸入電壓范圍和 0V 至 60V 的輸出電壓范圍，同時(shí)還可以在工作模式之間無(wú)縫轉換。此外，其獨特的同步降壓-升壓型拓撲可實(shí)現高達 98% 的工作效率，這可極大地減小因功耗產(chǎn)生熱量而所必需之散熱器的尺寸和重量。

圖 1：LT3791 以高達 100W 的功率驅動(dòng)一個(gè) 3A LED 陣列

以地為基準的電壓反饋引腳 (FB) 充當幾種 LED 保護功能的輸入，并使轉換器能作為恒定電壓源運行，參見(jiàn)圖 1。該器件還提供故障保護，以在出現 LED 開(kāi)路或短路的情況下不被損壞，并發(fā)布故障報告，同時(shí)當發(fā)生故障時(shí)，定時(shí)器允許 LT3791 鎖斷或重啟。該器件還采用了專(zhuān)有的電流模式拓撲和控制架構，并在降壓和升壓模式中采用了電流檢測電阻器。

高亮度 LED 在工業(yè)應用的例子
還有其他一些最終市場(chǎng)應用對大功率高亮度 LED 驅動(dòng)器有自己獨特的需求，在這類(lèi)應用中，LED 電流必須高于 10A。這類(lèi)應用包括 DLP 投影機、激光器和建筑照明。不過(guò)，提供高于 10A 的電流可能帶來(lái)很多設計問(wèn)題，其中非常重要的問(wèn)題是，最終產(chǎn)品本身的熱量管理！為此，凌力爾特開(kāi)發(fā)了獨特的 LED 驅動(dòng)器，以專(zhuān)門(mén)滿(mǎn)足這類(lèi)應用的設計需求。

LT3743 是一款降壓型同步 DC/DC 轉換器，用來(lái)提供恒定電流，以驅動(dòng)大電流 LED。該器件可提供高達 20A 的連續 LED 電流，或高達 40A 的脈沖 LED 電流。LT3743 的獨特設計實(shí)現了 3 態(tài)電流控制，這使該器件非常適用于 DLP 投影機所需的色彩混合應用。該器件還提供非?？?(2us) 的電流轉換時(shí)間，優(yōu)化了色彩混合分辨率，并允許在激光驅動(dòng)器應用中產(chǎn)生非?？斓碾娏髅}沖。

LT3743 具 5.5V 至 36V 的輸入電壓范圍，從而非常適用于多種應用，包括工業(yè)、DLP 投影和建筑照明。LT3743 用標稱(chēng) 12V 輸入提供高達 20A 的連續 LED 電流，從而可提供超過(guò) 80W 的功率。在脈沖式 LED 應用中，該器件可用 12V 輸入提供高達 40A 的 LED 電流，或 160W 峰值功率。高達 95% 的效率使得無(wú)需任何外部散熱措施，而且極大地簡(jiǎn)化了熱設計。頻率調節引腳使用戶(hù)能在 100kHz 至 1MHz 范圍設定頻率，這樣設計師就可以?xún)?yōu)化效率，并能最大限度地減少外部組件的尺寸。結合 4mm x 5mm QFN 或耐熱增強型 TSSOP-28 封裝，LT3743 提供了非常緊湊的大功率 LED 驅動(dòng)器解決方案。參見(jiàn)圖 2，以了解提供 20A LED 電流的典型應用原理圖。

圖 2：提供 20A LED 電流的 LT3743 典型應用原理圖

LT3743 提供 PWM 和 CTRL_SELECT 調光，在 3 種 LED 電流時(shí)，實(shí)現 3000:1 的調光能力，從而非常適用于 DLP 投影機中所需的那類(lèi)色彩混合應用。類(lèi)似地，LT3743 獨特的拓撲使其能以不到 2us 的時(shí)間在兩個(gè)穩定的 LED 電流值之間轉換，從而可在 RGB 應用中提供更準確的色彩混合。LT3743 保持 ±6% 的 LED 電流準確度，以確保 LED 提供最準確的光輸出度。其他特點(diǎn)包括輸出電壓調節、LED 開(kāi)路保護、過(guò)流保護和熱降額電路。

結論
毫無(wú)疑問(wèn)，高亮度 LED 能有廣泛的應用，因為與白熾燈相比，高亮度 LED 具固有的高功率效率和長(cháng)工作壽命，所以很多設計師正在轉向高亮度 LED。顯然，就任何給定應用而言，選擇合適的 LED 以提供所希望的光輸出是設計師的責任。然而，可以極大提升總體設計的 LED 驅動(dòng)器 IC 常常被忽視。幸運的是，凌力爾特等制造商很早前就認識到這需求，而且已經(jīng)通過(guò)推出革命性的 IC，奮起迎接了這一挑戰，這些 IC 兼有豐富的功能和性能特點(diǎn)，使系統設計師的選擇工作變得更容易了。因此，無(wú)論最終應用來(lái)自汽車(chē)、工業(yè)或其他領(lǐng)域，都有望變得更好!