高亮度LED的結構特性及應用分析

雖然LED是電流器件——高亮度LED也不例外，但汽車(chē)尾燈、剎車(chē)、轉向信號照明等應用場(chǎng)合仍能受益于電壓驅動(dòng)器結構?！?/P>

　 當效率更高的LED可供使用時(shí)，零售店和住宅的LED室內照明將可能很快出現。LED制造商們只是剛剛開(kāi)始解決高色溫光源問(wèn)題。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
由于高亮度LED制造工藝、器件設計、組裝技術(shù)三方面的進(jìn)展，LED發(fā)光器的性能一直在提高，其成本一直在降低，性能提高和成本降低的速度都令人難忘。PN結設計、再輻射磷光體和透鏡結構都有助于提高效率，因此也有助于提高可獲得的光輸出。就高輸出白光LED而言，寬光譜性能的提高使人對普通照明用的低維護高能效光源抱有希望。照明工程師社區

　 雖然實(shí)現可與標準熒光燈媲美的LED效率還需要一段時(shí)間，但LED燈也是比較環(huán)保的產(chǎn)品，因為它與熒光燈不一樣，不使用水銀。

固態(tài)照明在成分和工作效率方面的環(huán)保優(yōu)勢目前并不是主要的市場(chǎng)推動(dòng)因素，但確實(shí)使這種技術(shù)及其供應商有了良好的形象。

與此同時(shí)，在各種領(lǐng)域工作的OEM設計師和推銷(xiāo)人員一直在擴大固態(tài)照明的實(shí)際應用范圍，并一直密切注視著(zhù)市場(chǎng)的接受程度。然而，最終用戶(hù)在固體照明設備壽命內的成本利益體驗各不相同，這與傳統照明設備大相徑庭。這個(gè)事實(shí)使市場(chǎng)的價(jià)值觀(guān)變復雜化。與鎢絲燈泡和熒光燈泡相比，高亮度LED的使用成本和維護成本低得多，這就可以抵消LED較高的初始成本。盡管以上論述也許是很吸引人的，但卻令其在“價(jià)格第一，其它第二”思想傾向支配的消費市場(chǎng)上造成很大的推銷(xiāo)難度。

　 燈夾具制造商歷來(lái)在各自設計中不考慮燈泡的熱管理，只是提供足夠對流來(lái)確保鎢絲燈的高工作溫度不會(huì )帶來(lái)周?chē)牧鲜Щ鹞ｋU或夾具操作者灼傷危險。這一事實(shí)使高輸出固態(tài)照明設備的大批量生產(chǎn)復雜化。然而，如果最終的設計是要使LED的光輸出和工作壽命最佳，則高亮度LED的夾具就需要一定的熱設計。

　 因此，雖然不會(huì )很快看到高亮度LED把傳統鎢絲燈或熒光燈從五金店和家庭中心貨架上擠出去，但這些器件正在打入汽車(chē)、交通控制、外部標志等市場(chǎng)段，因為在所有這些領(lǐng)域，燈的高效率和長(cháng)壽命會(huì )增加顯而易見(jiàn)的價(jià)值。

　 高亮度LED斬露頭角

　 實(shí)際上，很少聽(tīng)到有人在同一句話(huà)中使用“早期采用者”和“汽車(chē)市場(chǎng)段”兩個(gè)短語(yǔ)。一些人也許會(huì )斷言，這種并置會(huì )在矛盾修飾法中大行其道。然而，高亮度LED給汽車(chē)制造商帶來(lái)了幾個(gè)引人注目的特性，而且，雖然這種應用比較新，但它們的基本特性多數來(lái)源于制造LED指示器——比它們老得多并且已得到了很好證明的類(lèi)似產(chǎn)品——的相同原理和類(lèi)似工藝。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
LED汽車(chē)尾燈、轉向信號燈、工作燈、剎車(chē)燈可克服鎢絲白熾燈固有的幾大缺點(diǎn)。汽車(chē)常常受到的中等程度沖擊和震動(dòng)會(huì )縮短燈絲壽命。同樣，由燈絲電阻正溫度系數引起的瞬間浪涌電流會(huì )加速燈泡的毀壞。熱循環(huán)——剎車(chē)燈工作的一個(gè)重要特性，往往會(huì )縮短白熾燈壽命。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
白熾燈泡的瞬間浪涌電流也使電路保護和故障檢測的任務(wù)變復雜化。汽車(chē)制造商必須把保險絲額定值和故障檢測閾值設定到足夠大的電流值，才能適應浪涌電流幅值和持續時(shí)間，而不會(huì )發(fā)生保險絲燒斷故障或不會(huì )檢測到假故障。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
相比之下，在汽車(chē)遭受典型振幅和頻率范圍內的沖擊和震動(dòng)的情況下，LED結構比燈絲更牢固耐用。LGD結構的重量輕和尺寸小，從而可減少沖擊和震動(dòng)產(chǎn)生的機械力矩。LED尺寸小，還使汽車(chē)設計師能夠把照明燈設計得體積較小，并將其設計成更符合汽車(chē)總體設計的要求。例如，一些汽車(chē)不是把CHMSL(中間高位剎車(chē)燈)模塊安裝在后蓋板上，而是利用LED所需體積小這一點(diǎn)，把該功能包含在后備箱蓋中。

　 汽車(chē)尾燈照明與控制系統提出了幾個(gè)有趣的問(wèn)題，這些問(wèn)題也會(huì )出現在控制器件和被控制器件彼此相距很遠的其它系統中。LED本質(zhì)上是電流器件。電子空穴對在場(chǎng)致發(fā)光化合物內復合，并且在復合時(shí)發(fā)射光子。電流的增大會(huì )相應提高復合速度和光通量輸出。這一過(guò)程的效率不是100%(幾乎達不到100%)，因此電流的增大還會(huì )通過(guò)1-h功耗增加器件的自熱。除非工作條件惡劣，否則LED一般不會(huì )像鎢絲燈那樣發(fā)生災難性故障，但卻往往會(huì )因老化而變暗。很多器件設計師把LED的壽命終止定義為光輸出降至初始值50%的時(shí)間。過(guò)流和過(guò)熱條件會(huì )加快LED壽命終止，因此多數器件制造商建議OEM仔細控制LED的能源。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
這些特性暗示，為了達到LED在汽車(chē)CHMSL或尾燈組件中的11年預期壽命，汽車(chē)車(chē)體控制模塊應該以恒定電流來(lái)操作各個(gè)器件。然而，正如AnalogDevices公司汽車(chē)市場(chǎng)專(zhuān)家BillReidel所說(shuō)，恒流設計使車(chē)體控制模塊和燈組件之間的布線(xiàn)復雜化，并驅使設計師把功率控制IC從車(chē)體控制模塊中取出，把它放入燈外殼中。恒壓驅動(dòng)能使控制IC保留在需要控制IC故障檢測狀態(tài)信息的控制模塊內，而且能在同一設計中減少外部元件(即保險絲)的數量以及控制模塊和燈外殼之間的布線(xiàn)數量。

　 AnalogDevices公司的AD8240LED驅動(dòng)器/監視器是這種方法的具體體現。該器件工作電流是300mA，供電電壓范圍是9V~27V。PWM輸入控制著(zhù)燈亮度，從而實(shí)現符合汽車(chē)規定的白天和夜晚不同最低亮度級。過(guò)流檢測電路由一個(gè)外部高壓側分流電阻器和一個(gè)片上比較器組成。如果分流電阻器兩端的電壓降超過(guò)參考電壓(一般是5V)，過(guò)流檢測電路就鎖住輸出驅動(dòng)信號。鎖存器在每個(gè)PWM周期之后會(huì )復位。

分流電阻器和外部PNP傳送元件限制最高負載電流。制造商建議的0.1Ω~0.5Ω分流電阻范圍對應于2A~0.4A的最大負載電流?？刂颇K的微控制器通過(guò)一條ADC輸入通道來(lái)讀取IC檢測引腳的讀值，就能監視負載電流。售價(jià)為1.15美元(1000件批量)的AD8240能檢測開(kāi)路負載、短路和局部故障，如一串串聯(lián)LED中的一個(gè)LED短路這種情形。這種驅動(dòng)器/監視器IC采用MSOP-8封裝。

　 在需要低壓側控制器的設計中，設計師可以考慮使用Melexis公司的MLX10801，因為MLX10801采用SO-8封裝，能在沒(méi)有外部傳送器件的情況下吸收550mA絕對最大峰值電流和400mA絕對最大平均電流。一種帶后綴A的封裝選件采用帶熱襯墊的MLPD-8封裝，而所用裸芯片不變，從而把RΘJA從120K/W降低至37K/W。這種封裝改進(jìn)可使絕對最大峰值電流和絕對最大平均值電流分別提高至1.2A和750mA。

一根診斷引腳使本機微控制器能通過(guò)一個(gè)ADC通道來(lái)監視負載電流。那些驅動(dòng)器/監視器芯片多于A(yíng)DC通道的設計可以求出接地電流之和，并且借助一根模擬輸入引腳來(lái)監視總接地電流。

　 Melexis公司的MLX10801的特點(diǎn)是一組瞬態(tài)脈沖、40V負載轉儲以及不正常引發(fā)的欠壓條件，這些都是該器件必須承受的預期非標準工作條件。一個(gè)可編程非易失數據鎖存器使OEM能通過(guò)一個(gè)片上檢測二極管或外部檢測二極管來(lái)進(jìn)行溫度測量。一根控制輸入引腳可實(shí)現PWM調光，這是LED驅動(dòng)器的一個(gè)常見(jiàn)特性。使這一控制輸入引腳保持低電平32毫秒以上，就會(huì )迫使驅動(dòng)器進(jìn)入睡眠模式，從而使其靜態(tài)電流從2mA減小至105mA。使該控制輸入引腳保持高電平8mS，就可啟動(dòng)一個(gè)只持續300mS的喚醒序列。