LED照明方案：用恒流穩壓器實(shí)現高亮度

近些年來(lái)，LED領(lǐng)域出現了諸如高亮度LED(HB-LED)這樣的進(jìn)展，這些技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)很快地應用于汽車(chē)、建筑物和街道照明等終端市場(chǎng)。而且，在最新驅動(dòng)器技術(shù)的配合下，高性能LED照明變得比傳統的照明形式更加可靠及高效，在市場(chǎng)上也越來(lái)越普及。

但由于缺乏標準化，LED的驅動(dòng)及控制方式多種多樣。許多應用所使用的方案并未顧及LED的特殊需要。有些方式雖然能夠應對新的認證需要，但并不能提供極佳的系統方案。因此，市場(chǎng)上存在針對特定應用解決方案的機會(huì )和需求。

系統方案

安捷倫科技現已退休的科學(xué)家Roland Haitz博士曾強調：照明領(lǐng)域——實(shí)質(zhì)上已是整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。他說(shuō)道，“雖然愛(ài)迪生只是第38位發(fā)明基于燈絲的電燈的人，但他是第1個(gè)提供整個(gè)照明系統的人?！盚B-LED的存在，創(chuàng )造了替代現有多缺點(diǎn)照明技術(shù)的巨大機會(huì )。然而，與Haitz博士的觀(guān)點(diǎn)一致，我們認為需要系統的方案來(lái)實(shí)現這個(gè)理念，即讓HB-LED系統替代燈絲、熒光燈管甚至是鹵素和氙氣照明等傳統照明系統。

固態(tài)HB-LED照明系統的主要組件可以簡(jiǎn)單地劃分為電源轉換、控制及驅動(dòng)、熱管理、光學(xué)，當然還包括LED本身。沒(méi)有完整提供及應用這些組件中任何一個(gè)，給定的HB-LED照明系統就不能高效工作。例如，沒(méi)有使用透鏡和導光板來(lái)對光源對焦(focusing)及處理，就無(wú)法符合應用的照明規格。同樣，如果沒(méi)有慎重考慮及應對熱管理問(wèn)題，由于LED接面溫度急升至遠高于組件的最高額定工作溫度，就會(huì )嚴重影響系統工作壽命。

HB-LED照明系統中的電壓源會(huì )隨著(zhù)應用類(lèi)型的差異而不同。對于建筑及樓宇應用而言，我們通?？梢灶A估供電電壓為交流電源。與此同時(shí)，戶(hù)外照明可能采用交流電源、12V鉛酸電池等未穩壓電源或者太陽(yáng)能供電。而就汽車(chē)應用而言，電源通常是12V電池。

盡管有可能采用電壓源來(lái)驅動(dòng)LED而不使用某種類(lèi)型的電源轉換，但這并非一個(gè)好主意，因為正常的電壓波動(dòng)會(huì )導致LED電流大幅變化。顧及電壓/電流(V/I)曲線(xiàn)極為陡峭以及不同批次LED的正向電壓(通常高于1V)差異較大等因素，使用隔離或非隔離電源轉換段就是非常必要的了。

LED穩流

LED驅動(dòng)器的主要功能就是限制電流，而不論何種輸入條件及多種工作條件下正向電壓如何變化。驅動(dòng)器本身以及整體系統方案必須符合應用在能效、電流容限、外形因子、尺寸、成本及安全性等方面的要求。所選擇的方案還必須易于應用及足夠強固，以滿(mǎn)足特定應用的極端環(huán)境條件。

設計人員根據其應用的不同細節，可以選擇三種不同的基本穩壓器拓撲結構，它們是：

● 降壓(Buck)—所有工作條件下最小輸入電壓(Vin)都始終大于LED串的最大工作電壓時(shí)采用。

圖1 降壓轉換器典型電路圖

● 升壓(Boost)—所有工作條件下最大輸入電壓(Vin)都始終小于LED串最小工作電壓時(shí)采用。

圖2 升壓轉換器典型電路圖

● 降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)—輸入與輸出電壓之間有交迭時(shí)采用。耦合電感方面的進(jìn)步使這些方案更易于應用在同等尺寸的降壓或升壓拓撲結構中。一旦掌握，SEPIC拓撲結構就能夠提供比其他常用拓撲結構更多的優(yōu)勢，也能夠提供更高能效、更小外形及更低成本。

圖3 降壓-升壓轉換器典型電路圖

LED穩流方案的分類(lèi)

1 電阻

電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的穩流方案。在實(shí)踐中，它們并不是一種實(shí)用的解決方案，因為它們依賴(lài)于電池電壓，導致LED亮度變化，能效低和必要的昂貴成本，并且需要耗時(shí)耗力的LED編碼。

2 線(xiàn)性穩壓器

線(xiàn)性穩壓器易于設計，能夠提供有效的穩流及過(guò)流保護，并且提供外部電流設定點(diǎn)，是一種“中等的”HB-LED系統穩流方案。然而，在當今這個(gè)節能意識很強的時(shí)代，對于許多裝置，特別是街道照明、建筑物及電池供電應用而言，設計人員可能會(huì )認為它們耗電太多及能效低到不可接受。而能效低的線(xiàn)性穩壓器幾乎都會(huì )有熱管理問(wèn)題，這通常需要采用某種形式的散熱片，但會(huì )增加整體設計的尺寸及成本。

3 開(kāi)關(guān)穩壓器

開(kāi)關(guān)穩壓器是最昂貴及技術(shù)最復雜的LED電流控制方案。它們與線(xiàn)性穩壓器及簡(jiǎn)單的電阻穩流方案不同，易受電磁干擾(EMI)影響，為設計人員帶來(lái)了另外一項需要克服的挑戰。然而，開(kāi)關(guān)穩壓器能效很高，且能為應用提供亮度控制功能。對于中到大功率方案而言，或者應用需要處理寬輸入電壓范圍，開(kāi)關(guān)穩壓器是唯一可行的選擇。

4 恒流穩壓器

2引腳及3引腳恒流穩壓器（如安森美半導體開(kāi)發(fā)的）能夠提供比線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器更簡(jiǎn)單及更低成本的方案，而且比電阻方案更具性能優(yōu)勢。2引腳組件提供固定輸出，而3引腳版本提供采用簡(jiǎn)單的外部電阻來(lái)設定輸出的功能。其輸出電流值介于20～150mA之間，最大工作電壓為45V，確保能夠承受電池負載突降電壓。

圖4 恒流穩壓器典型電路圖

使用恒流穩壓器就像使用線(xiàn)性及開(kāi)關(guān)穩壓器一樣，確保在它們支持的寬LED電壓范圍下提供恒定亮度。它們還保護LED在較高輸入電壓時(shí)免受過(guò)驅動(dòng)影響，并大幅降低或完全消除成本高昂、問(wèn)題很多的LED庫存編碼問(wèn)題。達40V的寬輸入電壓范圍支持多種應用條件下的工作，承受相關(guān)的供電電壓波動(dòng)。恒流穩壓器可以配置為降壓、升壓或SEPIC拓撲結構。如果驅動(dòng)的LED串的電流高于單個(gè)恒流穩壓器能夠支持的范圍，就可以并聯(lián)這些組件來(lái)提供解決方案。

LED發(fā)射的光與其平均輸出電流成正比。恒流穩壓器還能控制這個(gè)電流，提供額外的光輸出調節功能?？梢圆捎媚M調光或數字脈沖調變技術(shù)來(lái)提供調光功能。模擬調光方案結合輸入PWM信號及反饋電壓，從而降低平均輸出電流。數字調光方案使用輸入PWM信號來(lái)抑制穩壓器的開(kāi)關(guān)，并降低平均輸出電流。典型調光頻率為200～1000Hz，因為人眼不能看清高于200Hz頻率時(shí)的細微變化，但可察覺(jué)低于這個(gè)頻率時(shí)的細微變化。

結語(yǔ)

HB-LED有潛能成為多種多樣照明應用的主力軍。將HB-LED照明與其他照明技術(shù)相比時(shí)，電源能效、長(cháng)壽命及設計多樣性?xún)H是我們正面平價(jià)的一部分。隨著(zhù)特定用途恒流穩壓器的發(fā)展，更佳的多用途(all-round)系統方案將會(huì )誕生。