實(shí)例解析高功率LED照明設計

采用升壓穩壓器

升壓穩壓器在可攜式應用、電池輸入應用中更常見(jiàn)。電感升壓穩壓器和交換式電容升壓穩壓器在驅動(dòng)小型LED的背光顯示上都取得重大成功，然而本應用屬于自行車(chē)照明或軍用/警用手電筒等應用的攜帶式照明燈。僅由三個(gè)1瓦的白色LED發(fā)出，LED由350毫安±10%的電流驅動(dòng)。如上述的范例，產(chǎn)品數據表規定了以下正向電壓限制：VF-MIN=3.0V，VF-TYP=3.7V，VF-MAX=5.0V

該燈的輸入電壓為三顆1.5伏特AA電池，充滿(mǎn)電時(shí)每個(gè)電池的工作電壓為1.5伏特，完全放電后的工作電壓下降至0.9伏特。所有三顆電池都可并聯(lián)配置，但如此會(huì )導致可供驅動(dòng)器IC工作的電壓極為有限；因此，這里需要將三顆電池改為串聯(lián)配置。VIN的范圍是2.7～4.5伏特，VO-MIN為9伏特，使得電感升壓穩壓器非常適用。以下為實(shí)例電路(圖6)。

圖6升壓LED驅動(dòng)器

采用降壓-升壓穩壓器

汽車(chē)電子系統由于具有廣泛的電壓范圍，因此為LED驅動(dòng)電子組件帶來(lái)特殊挑戰，然而因LED的可靠性、使用壽命和發(fā)光效率，汽車(chē)卻是較早采用高功率LED的應用之一。汽車(chē)尾燈、方向燈及車(chē)內照明系統很早就轉變?yōu)楣虘B(tài)照明系統，但由于獲得光通量所需的LED數量，前照燈(近光、遠光、霧燈等)經(jīng)證明很難采用LED照明。此問(wèn)題是因為所有LED會(huì )隨著(zhù)晶粒溫度的升高而失去光輸出，為了解決從極小的區域獲得極高光通量(1,000流明以上)的難題，除了LED制造商外，有幾家公司購買(mǎi)了裸片并專(zhuān)門(mén)進(jìn)行封裝，生產(chǎn)多晶粒LED模塊。這種產(chǎn)品在六個(gè)串聯(lián)連接與三個(gè)并聯(lián)串的LED中結合十八個(gè)晶粒?？傭寗?dòng)電流為1安培，VF的范圍為18～24伏特。標準汽車(chē)電池和交流發(fā)電機系統的工作電壓范圍是9～16伏特，但通常包括「雙電池」測試，也就是要求系統電子組件能在28伏特電壓下工作(或至少維持)兩分鐘或更長(cháng)時(shí)間?！肛撦d突降(LoadDump)」浪涌(由交流發(fā)電機運行時(shí)的電池斷路所造成)可能超過(guò)100伏特，但通常固定在約40伏特。此一廣泛的輸入電壓范圍，使得驅動(dòng)器不得不降壓和升壓。單個(gè)電感降壓-升壓驅動(dòng)器(圖7)比SEPIC、Cuk或四開(kāi)關(guān)降壓-升壓驅動(dòng)器需要更少組件。但它的缺點(diǎn)是輸出電流是根據VIN控制，需要浮動(dòng)的、微分電流感應完成控制回路。上述電流感應需求可由圖7的低成本雙PNP晶體管實(shí)現，但是若改用IC電流感應放大器，將可獲得更高精確度與高性能。

圖7降壓-升壓驅動(dòng)器

驅動(dòng)器特性關(guān)鍵在于控制/感應輸出電流

幾乎所有具有可調節輸出電壓的DC-DC轉換器IC都可被轉成驅動(dòng)LED的電流調節器，但是這個(gè)解決方案并不理想。專(zhuān)用的高功率LED驅動(dòng)器應該具備一些其他DC-DC轉換器所不具備的特性，主要關(guān)鍵在于是否能精確且有效地感應和控制輸出電流。不管電阻器在IC的內部或外部，電流感應電壓VSNS必須低，才可將電流感應電阻器中的功耗降至最低。但VSNS不能低到影響訊噪比(SNR)；它的特殊優(yōu)勢在于這樣的IC設計允許使用者將VSNS調節到與控制電壓成比例，讓用戶(hù)可靈活地在效率和SNR上采取折衷策略，并且仍可像線(xiàn)性電流調節器一樣工作。

LED的亮度調節是透過(guò)脈沖寬度調變(PWM)以保持光源的穩定一致或色溫穩定。脈沖超過(guò)一定的頻率(一般為200Hz)，人類(lèi)的眼睛就無(wú)法辨別單個(gè)脈沖，將LED電流保持在一定水平上并同時(shí)調節脈沖寬度，感受到的光平均強度就會(huì )相對改變。LED驅動(dòng)器IC應接受邏輯電平PWM訊號，并且能夠像高傳真雙準位放大器(HighFidELityBi-levelAmplifier)一樣發(fā)揮作用，以一個(gè)與邏輯訊號相符的控制電流，將脈沖施加到LED上。為了保持輸出電流對PWM訊號的正確性，傳播延遲必須降到最低，同時(shí)LED電流上升和下降的轉換速率必須提升到最高。在此毋須使用大多數標準電源控制IC的開(kāi)/關(guān)接腳(Enable/ShutdownPin)，它們通常會(huì )造成很大延遲而將關(guān)閉電流降到最低，并且有意限制轉換速率進(jìn)行追蹤、緩啟動(dòng)和排序。

以降壓轉換器為基礎的LED驅動(dòng)器應該能在沒(méi)有輸出電容器的情況下工作，因為這會(huì )將輸出電壓轉換為高阻抗，并且使它們與具有無(wú)限大阻抗的理想電流源最為匹配。在沒(méi)有輸出電容的情況下，輸出電壓可快速轉換，這對于快速PWM調光是必須的。沒(méi)有輸出電容的降壓轉換器可以和一個(gè)平行調光場(chǎng)效晶體管(FET)連接(圖8)，這種調光方法至少將傳播延遲和轉換速度降低一級，因為保持連續的電感電流會(huì )消除最大的系統延遲。缺點(diǎn)是在LED關(guān)閉時(shí)消耗了一些功率，但輸出電壓可下降至與VSNS相等的準位，從而將損失的功率降到最低；重要的是，降壓穩壓器是唯一具有并行調光FET的交換式穩壓器拓撲。

圖8帶有并行FET調光的降壓LED驅動(dòng)器

LED驅動(dòng)器經(jīng)常暴露于極端的環(huán)境溫度，這類(lèi)環(huán)境甚至對電源IC而言屬于極端溫度。散熱片的高成本、LED的促狹空間，都轉化為惡劣的散熱問(wèn)題。因此須要將操作溫度額定值設定到至少125℃，并且采用高功率封裝。高功率LED通常裝在金屬核心印刷電路板(MCPCB)上，由一個(gè)帶有用于電子連接的電介質(zhì)和銅導層的鋁基板構成。當將熱增益型封裝中的驅動(dòng)器也裝在MCPCB時(shí)，可獲得最佳(最低)熱電阻。熱增益型封裝的實(shí)例包括無(wú)鉛針腳框架(LeadFrame)封裝(中心有一個(gè)散熱片)以及針腳型封裝的占用空間兼容版本(比如SOIC-8和TSSOP-14），在其底部有一個(gè)散熱片。由于鋁基板成本極高，因此通常不會(huì )將驅動(dòng)電子組件裝在MCPCB上。大部分的應用中，LED驅動(dòng)器必須克服高溫環(huán)境及標準FR4PCB散熱性能降低的問(wèn)題。

當LED直接由交換式穩壓器驅動(dòng)時(shí)，最令人擔憂(yōu)的故障是輸出開(kāi)路。一些LED驅動(dòng)器通常具有電流限制，但當輸出電流被控制在穩定狀態(tài)時(shí)，最大的擔憂(yōu)是其中一個(gè)LED發(fā)生開(kāi)路的情形。這是LED最常見(jiàn)的故障，它造成回授路徑斷開(kāi)，不管是哪種控制類(lèi)型，結果都是輸出電壓的大幅上升。降壓穩壓器還有一個(gè)安全問(wèn)題，即VO只能上升到與VIN一樣高的準位。因為它們的輸出電壓會(huì )上升，升壓和降壓-升壓LED驅動(dòng)器必須采取預防措施，直至一個(gè)或多個(gè)電路組件發(fā)生故障。如同穩壓器在遇到輸出短路時(shí)會(huì )重置、斷續或閉鎖(Latch-off)，LED驅動(dòng)器，特別是升壓或降壓--升壓類(lèi)型的驅動(dòng)器，在發(fā)生輸出開(kāi)路時(shí)應提供自動(dòng)保護。如圖7所示，齊納二極管可用于使輸出電壓保持在一定范圍內。齊納潰損電壓值應設置于穩壓器的最大VO之上，反向電流設置為1毫安，才可在故障狀態(tài)的持續時(shí)間延長(cháng)的情況下，將功耗降至最小。