萬(wàn)眾矚目的大功率、高亮度LED 驅動(dòng)器

背景

LED 是一種半導體器件，當被施加正向偏置電壓時(shí)將發(fā)出非相干窄譜光，從而產(chǎn)生一種電致發(fā)光的現象。換句話(huà)說(shuō)，固態(tài)磷光體在電場(chǎng)作用下，將電能直接轉換成了光。所發(fā)光的顏色取決于所用半導體材料的化學(xué)組成，可能接近紫外、可見(jiàn)或紅外光。

過(guò)去幾年，LED 技術(shù)取得了很大進(jìn)步。在散熱、封裝和工藝方面的改進(jìn)導致了更高的亮度、更高的效率、更長(cháng)的壽命和更低的成本。與白熾燈不同，LED 沒(méi)有會(huì )燒壞的燈絲，而且工作時(shí)往往溫度較低。此外，白熾燈有 95% 能量是以熱量形式浪費掉的。

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，有些制造商已經(jīng)宣布，在實(shí)驗室中實(shí)現了 200 lm/W。那么顯然，就發(fā)光有效性而言，LED 已經(jīng)超過(guò)了白熾燈 (一個(gè)典型的 60W 白熾燈的光輸出為 15 lm/W)?；蛘邠Q一種說(shuō)法，發(fā)光有效性指的是，一個(gè)光源的光輸出量 (以流明為單位) 與產(chǎn)生該光輸出量所消耗的功率 (以瓦為單位) 之比。即使如此，人們仍然預計，在未來(lái)一年內，將在市場(chǎng)上輕而易舉地得到具 150 lm/W 光輸出的 LED。另一個(gè)好處是 LED 的壽命。視計算方法的不同而不同，白光 LED 燈至少具有 5 萬(wàn)小時(shí)的壽命，有些甚至聲稱(chēng)長(cháng)達 10 萬(wàn)小時(shí)，而白熾燈的壽命僅為 1200 小時(shí)至 1500 小時(shí)左右。

高亮度 LED 照明的成本也在迅速下降。幾年前，單個(gè)白光二極管 (幾個(gè)這樣的二極管組成一個(gè) LED 燈，并占 LED 燈成本的大部分) 的價(jià)格約為 4 美元，現在已經(jīng)下降為不到 1 美元了。LED 業(yè)界的很多分析師預測，在未來(lái)一年中，取代白熾燈的 LED 燈價(jià)格將達到消費者可接受的程度。一些 LED 制造商宣布，已經(jīng)設計出能讓 LED 燈產(chǎn)生的光輸出與 75W 白熾燈相媲美的發(fā)光芯片，而 75W 白熾燈在大多數家庭中都很常見(jiàn)。這類(lèi) LED 芯片通常僅需要約 9W 功率，就能使 LED 燈產(chǎn)生同等于 75W 白熾燈的光輸出量。

今天，LED 驅動(dòng)器 IC 必須具有的一個(gè)關(guān)鍵性能特點(diǎn)是能充分地對 LED 燈調光。因為 LED 是用恒定電流驅動(dòng)的，而 DC 電流值與 LED 亮度成正比，那么要改變 LED 的亮度，就有兩種通過(guò)控制 LED 電流來(lái)調光的方法。第一種方法是模擬調光，采用這種方法時(shí)，通過(guò)降低恒定的 LED 電流值，成正比地降低 LED 的 DC 電流。降低 LED 電流可能引起 LED 色彩變化，或者導致對 LED 電流的控制不準確。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，以這樣的頻率開(kāi)關(guān)，人眼是察覺(jué)不到的。PWM 調光的占空比與 LED 的亮度成正比，而接通時(shí) LED 電流保持相同的值 (如 LED 驅動(dòng)器 IC 所設定的那樣)，從而在高調光比時(shí)，保持 LED 色彩不變。在某些應用中，這種 PWM 調光方法可以在高達 30,000:1 的調光比情況下使用。

尤其是在驅動(dòng)高亮度 (HB) LED 的情況下，LED 驅動(dòng)器 IC 必須能以一種既滿(mǎn)足輸入電壓范圍又滿(mǎn)足所需輸出電壓及電流要求的轉換拓撲，為很多不同類(lèi)型的 LED配置提供足夠的電流和電壓。因此，在理想情況下，高亮度 LED 驅動(dòng)器 IC 應該具有以下特點(diǎn)：

? 寬輸入電壓范圍：高達 100V

? 寬輸出電壓范圍：高達 100V

? 高效率轉換：高達 98%

? 對 LED 電流匹配進(jìn)行嚴格調節：在溫度范圍內變化少于 2%

? 低噪聲、恒定頻率工作：高達 2.5MHz

? 獨立電流和調光控制

? 寬調光比：高達 30,000:1

? 多種轉換拓撲，包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型和 SEPIC

? 很多保護功能，例如對 LED 串開(kāi)路、LED 引腳至 VOUT 短路提供保護，以及準確的欠壓閉鎖門(mén)限

? 小型和占板面積緊湊的解決方案，需要最少的外部組件

高亮度 LED 舉例

毫無(wú)疑問(wèn)，大部分汽車(chē)前燈仍然是白熾燈。不過(guò)，這種主導地位將來(lái)會(huì )受到來(lái)自高強度放電 (HID) 燈和高亮度 LED 前燈的壓力。HID 燈包括所有用在普通照明中的高強度放電燈，例如高壓水銀蒸氣燈、高壓鈉燈、低壓鈉等和金屬鹵化物燈。為室內、建筑物或外部空間等工作或生活環(huán)境照明，一般照明源足夠亮了。這類(lèi)照明應用包括住宅照明、商用和工業(yè)照明、路燈以及汽車(chē)前燈。HID 氙燈于上世紀 90 年代首先引入在汽車(chē)前燈中。不過(guò)，這類(lèi)燈的生產(chǎn)制造成本非常高，因此其使用一直僅限于高端汽車(chē)。未來(lái)，由于最近推出的高亮度 LED，這類(lèi) HID 氙燈的使用會(huì )迅速減少。因此，高亮度 LED 前燈在未來(lái) 10 年將有最大的增長(cháng)。

汽車(chē)照明系統設計師面臨的最大障礙之一是：如何優(yōu)化由這最新一代 LED 提供的所有功能和益處。因為 LED 一般需要一個(gè)準確和高效率的電流源以及一種調光方法，所以 LED 驅動(dòng)器 IC 必須設計為在多種工作條件下滿(mǎn)足這些要求。此外，LED 驅動(dòng)器 IC 的電源解決方案必須是高效率、堅固和可靠的，同時(shí)還要非常緊湊和具有成本效益。

可以說(shuō)，就驅動(dòng) LED 而言，最苛刻的應用之一將是汽車(chē)前燈系統 (由遠光燈、近光燈、白天行車(chē)燈、霧燈和轉向信號燈組成)，因為這些燈既經(jīng)受著(zhù)嚴酷的汽車(chē)電氣環(huán)境，同時(shí)又必須適應多種溫度條件的變化。而且它們還必須總是能放入非常受限的空間中，總是具有富有吸引力的成本結構。

適用于汽車(chē)前燈的新型 LED 驅動(dòng)器 IC

凌力爾特公司最近推出的 LT3791 是一款同步四開(kāi)關(guān)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)用于汽車(chē)前燈應用的高亮度 LED。該控制器在高于、低于或等于輸出電壓的輸入電壓范圍內工作。該器件具 4.5V 至 60V 的輸入范圍和 0V 至 60V 的輸出范圍，還可在工作模式之間無(wú)縫轉換。此外，其獨特的同步降壓-升壓型拓撲使工作效率高達 98%，這極大地減小了散出功率損耗產(chǎn)生的熱量所必需的散熱器之尺寸和重量。

以地為基準的電壓反饋引腳 (FB) 用作幾個(gè) LED 保護功能的輸入，并使該轉換器能作為恒定電壓源工作，如圖 1 所示。該器件還提供故障保護功能，以在 LED 開(kāi)路或短路情況下不被損壞，并報告故障情況，同時(shí)當故障發(fā)生時(shí)，定時(shí)器允許 LT3791 繼續運行、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時(shí)使用一個(gè)電流檢測電阻器。

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

15V TO 60V：15V 至 60V

LED POWER：LED 電源

結論

盡管高亮度 LED 驅動(dòng)器必須具有的性能特點(diǎn)有很多，但是由這種 LED 驅動(dòng)器驅動(dòng)的 LED 必須能以最低的功率提供必需的光輸出量，這樣就不會(huì )對熱量設計造成極大的限制。就大功率高亮度 LED 產(chǎn)品的設計師而言，幸運的是，現在既存在高功效 LED，又有能驅動(dòng)這些高功效 LED 的高性能 LED 驅動(dòng)器。