如何對LED驅動(dòng)電流進(jìn)行嚴格控制

本文重點(diǎn)探討了如何對LED驅動(dòng)電流進(jìn)行嚴格控制，因為當我們關(guān)心輸出光品質(zhì)時(shí)，對LED驅動(dòng)電流的控制將會(huì )成為影響LED電源成本的重要因素。為了使用于LED供電電源設計的每分錢(qián)都充分發(fā)揮作用，我們在本文中提出了一個(gè)最佳方案——封閉實(shí)際光輸出的控制回路。

　　半導體照明這一新興領(lǐng)域的出現，使同時(shí)專(zhuān)長(cháng)于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)(機械工程)這三個(gè)領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前，在三個(gè)領(lǐng)域都富有經(jīng)驗的工程師并不很多，而這通常意味著(zhù)系統工程師或者整體產(chǎn)品工程師的背景要和這三大領(lǐng)域相關(guān)，同時(shí)他們還需盡可能與其他領(lǐng)域的工程師協(xié)作。

　　系統工程師常常會(huì )把自己原領(lǐng)域養成的習慣或積累的經(jīng)驗帶入設計工作中，這和一個(gè)主要研究數位系統的電子工程師轉去解決電源管理問(wèn)題時(shí)所遇到的情況相同：他們可能依靠單純的模擬，不在試驗臺上對電源做測試就直接在電路板上布線(xiàn)，因為他們沒(méi)有認識到：開(kāi)關(guān)穩壓器需要仔細檢查電路板布局;另外，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)試驗臺測試，實(shí)際的工作情況很難與模擬一致。

　　在設計LED燈具的過(guò)程中，當系統架構工程師是位元電子電力專(zhuān)家，或者若電源設計被承包給一家工程公司時(shí)，一些標準電源設計中常見(jiàn)的習慣就會(huì )出現在LED驅動(dòng)器設計中。一些習慣是很有用的，因為L(cháng)ED驅動(dòng)器在很多方面與傳統的恒壓源非常相似。兩類(lèi)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(lèi)電路都面對連接到交流電源、直流穩壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來(lái)的挑戰。

　　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，對LED驅動(dòng)器而言并不是很好的習慣。諸如FPGA和DSP之類(lèi)的數位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，數位電源軌的公差通常會(huì )控制在±1%以?xún)然虮人鼈兊臉朔Q(chēng)值小，也可用其絕對數值表示，如0.99V至1.01V。在將傳統電源的設計習慣引入LED驅動(dòng)器設計領(lǐng)域時(shí)，帶來(lái)的問(wèn)題就是：為了實(shí)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元件，或者二者兼而有之。

　　善用每一分預算

　　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(hù)那里聽(tīng)取意見(jiàn)，他們也會(huì )盡最大力量去滿(mǎn)足那些要求，力圖在最小的空間和預算范圍內進(jìn)行系統設計。在進(jìn)行LED驅動(dòng)器設計時(shí)也不例外，事實(shí)上它面對更大的預算壓力，因為傳統的照明技術(shù)已經(jīng)完全實(shí)現了商品化，其價(jià)格已經(jīng)非常低廉。所以，花好預算下的每一分錢(qián)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位負載的供電電壓的精度相同，則會(huì )既浪費電，又浪費錢(qián)。100mA到1A是當前大多數產(chǎn)品的電流范圍，特別是目前350mA(或者更確切地說(shuō)，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(dòng)器的積體電路是矽基的，所以在1.25V的范圍內有一個(gè)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(shí)現，能達到這種容差或更好容差范圍的低價(jià)電壓參考電路或電源控制IC種類(lèi)繁多，價(jià)格低廉。當控制輸出電壓時(shí)，可在極低功率下使用高精度電阻來(lái)回饋輸出電壓(如圖1a所示)。為控制輸出電流，需要對回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(jiǎn)單的手段。

　　圖1a：電壓回饋;圖1b：電流回饋(點(diǎn)擊圖片查看高清原圖)

　　深入研究之后，就會(huì )發(fā)現這樣做的一個(gè)主要缺點(diǎn)是：負載和回饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與LED串聯(lián)的一個(gè)電阻上，這意味著(zhù)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(zhuān)用LED驅動(dòng)積體電路的參考電壓要遠低于現在的產(chǎn)品，這類(lèi)似于電池充電器。電壓更低意味著(zhù)功耗更低，也意味著(zhù)更小、更便宜、更低損耗的電流檢測電阻。在圖1b所示的簡(jiǎn)單的低端回饋環(huán)境下，200mV是常規的電壓選擇。但是，要在200mV參考電壓下實(shí)現±1%的容差，則需要一個(gè)價(jià)格很高的積體電路，此時(shí)相對于標稱(chēng)參考電壓的容差為±2mV。盡管這并不是不可能實(shí)現的，不過(guò)更高的精度需要更高的成本。±2mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測試和分級技術(shù)，此時(shí)，附加成本應花費在更智慧的LED驅動(dòng)器上。新的費用的價(jià)值是增加了一個(gè)反饋回路，借助該回路，可以利用光輸出(而非電流輸出)來(lái)控制如何驅動(dòng)LED。

　　測量光輸出

　　就像數位產(chǎn)品設計師在電源設計中遇到不確定問(wèn)題時(shí)會(huì )采取模擬解決問(wèn)題那樣，電力電子工程師出身的系統架構師在進(jìn)行LED燈具設計時(shí)會(huì )想到高精度的輸出。LED制造商已經(jīng)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(dòng)所有LED，那么每個(gè)LED會(huì )產(chǎn)生相同的光通量。因此，電力電子工程師就會(huì )得出結論：高精確度的電流是必須的。這樣一來(lái)，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(diǎn)。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(xué)積分球截面圖

　　另外，即使容差為±0.1%的電流源(其價(jià)格會(huì )相當高)有巨大的市場(chǎng)價(jià)值，它對在實(shí)際光輸出中產(chǎn)生嚴格的容差值上沒(méi)有什么作用。透過(guò)觀(guān)察LED光通量的分級可以確定這一點(diǎn)。表1給出了世界三大頂級電力光電半導體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結果。注意最后一列是各分級的容差平均值，而不是所有光通量分級范圍內的容差。

　　表1：全球前二大光電半導體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結果