實(shí)例解析高功率LED照明設計

照明設計人員對發(fā)光二極管(LED)照明的力捧乃是因為潛在的眾多好處，而這些好處是白熾燈、鹵素燈、熒光燈及充氣/弧光燈所缺乏的。雖然現今LED照明系統的商機很大，但真正讓照明設計人員雀躍不已的卻是固態(tài)照明(SolidStateLighting)的基礎設計。

要在LED照明設計上取得成功，必須密切關(guān)注三個(gè)因素，分別是電子驅動(dòng)、散熱管理和光學(xué)效率。唯有成功平衡這三個(gè)因素，才能享受固態(tài)照明所帶來(lái)帶來(lái)壽命長(cháng)、高電子效率、高亮度和純色(或白色LED嚴格控制的色溫)等優(yōu)點(diǎn)。針對如何選擇高功率LED(1瓦及以上)以及設計電路驅動(dòng)等問(wèn)題，本文將為設計人員提供極有價(jià)值的參考。

LED串聯(lián)配置可達理想照明標準

用于固態(tài)照明的LED晶粒一般由半導體材料制成。紅色、橙色和琥珀色LED幾乎都采用InAlGaP制成，綠色和藍色LED則大多采InGaN制成；而白色LED則是使用帶有轉換熒光體的藍色LED，若從電子驅動(dòng)角度來(lái)看，則與藍色LED相同。和標準的PN接面二極管相同的是，當LED被正向偏置時(shí)，它們開(kāi)始傳導電流；而與標準的PN接面二極管不同的則是正向偏置中的LED會(huì )發(fā)光。而由電流驅動(dòng)(LED以及通過(guò)LED極低的直流正向電壓等兩種特性，使得LED不同于其他光源。InAlGaPLED典型的正向電壓VF為2～3伏特，而InGaNLED的正向電壓則為3～4伏特，但LED的光通量與正向電流IF成比例關(guān)系。電子驅動(dòng)設計的第一個(gè)問(wèn)題是固定驅動(dòng)電流，第二個(gè)問(wèn)題是確定每個(gè)LED的電壓范圍。仔細查看制造商的產(chǎn)品數據表，將會(huì )找到建議的驅動(dòng)電流及相應電流條件下的VF、主波長(cháng)和光通量標準值、最小值和最大值。典型的VF與IF對比圖(圖1)要注意的是電流為獨立的量，表示電流控制是LED驅動(dòng)器的關(guān)鍵。

圖1紅色InAlGapLED和白色InGaNLED的VF與IF比較

近年來(lái)，雖然高功率LED具有重大發(fā)展，但單一裝置仍無(wú)法滿(mǎn)足一般照明需求。由業(yè)界生產(chǎn)的旗艦性產(chǎn)品1瓦白色LED(標準色溫6,500K)，可產(chǎn)生100流明的光通量。但與典型的60瓦白熾燈泡相比，LED照明射角相對較窄。白熾燈泡的典型發(fā)光效率為15lm/W，可產(chǎn)生900流明的光，幾乎均勻地分布于各個(gè)方向。如果目標是照亮以前采用白熾燈泡的空間，則需要多個(gè)LED。將LED串聯(lián)可保證流經(jīng)每個(gè)設備的電流皆相等，并確保每個(gè)組件都發(fā)出均勻的光?？偠灾?，盡可能將多的LED串聯(lián)，然后進(jìn)一步添加串行電路，直到總光輸出達到理想標準?？刹捎么?lián)配置的LED數量取決于幾個(gè)因素，但主要由輸入電壓、電子規范和安全標準及LED驅動(dòng)器決定。圖2、3、4分別顯示三種驅動(dòng)由九個(gè)1瓦LED組成的照明系統的方法。

LED配置的優(yōu)勢是可使用單一LED驅動(dòng)器(圖2)，并可保證流經(jīng)每個(gè)LED的電流都相等。缺點(diǎn)則是會(huì )導致最高的輸出電壓，因而需要尺寸更大、價(jià)格更高的電路組件及滿(mǎn)足安全要求。此外，若其中任何一個(gè)LED有「開(kāi)路」的問(wèn)題，全部的LED將無(wú)法發(fā)光。

圖2單一串行電路中的九個(gè)LED

圖3所示的LED配置具有更低輸出電壓和減少觸電危險的優(yōu)勢。如果一個(gè)LED發(fā)生故障，其他兩個(gè)支路會(huì )繼續工作，這樣設計有利也有弊。一方面，一個(gè)LED發(fā)生故障不會(huì )使整個(gè)燈不亮。另一方面，作為電流源的LED驅動(dòng)器現在必須將更多電流(1.5×IF)施加到其他的支路中。這會(huì )使LED變得過(guò)熱，而縮短使用壽命。串并聯(lián)數組的第二個(gè)缺點(diǎn)是LED不會(huì )均等分享驅動(dòng)電流，除非它們的VF相符。這需要由LED制造商對其產(chǎn)品分批，因此增加了成本。即使進(jìn)行VF分批，如果在設計時(shí)沒(méi)有為每個(gè)LED提供均等的散熱，LED中VF的負溫度系數也會(huì )導致支路之間的電流不均衡。

圖33x3串聯(lián)-并聯(lián)數組中的九個(gè)LED

圖4說(shuō)明一種可提供最大系統穩定性的保守方法，但這種方法的成本最高，并且占用最多空間。采用單獨的驅動(dòng)器可將輸出電壓保持在較低的水平，毋需VF分檔，即使兩個(gè)不同支路的兩個(gè)LED都發(fā)生故障，燈仍可保持一些光輸出。如果LED驅動(dòng)器是交換式穩壓器，三個(gè)驅動(dòng)器(及周?chē)谋粍?dòng)組件)的成本和占用元空間都會(huì )過(guò)高。

圖4由三個(gè)驅動(dòng)器驅動(dòng)的九個(gè)LED