高亮度LED戶(hù)外照明新潮及其驅動(dòng)器技術(shù)

1前言
當今面世的新技術(shù)高亮度(HB)白光LED使LED能夠達到1W的水平。由于效率方面的明顯改進(jìn)，HB-LED正被迅速用于多種照明應用：交通信號燈、平面顯示設備的背景照明裝置、閃光燈與家庭照明。而對汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)，LED亦有極大的吸引力，長(cháng)壽命、抗震、高效、對光源良好的控制能力都是它的優(yōu)勢。從節能的角度來(lái)講，尤其是戶(hù)外照明技術(shù)中更為突顯，并且在照明實(shí)業(yè)化上發(fā)展很廣。據此,本文將對高亮度白光LED在取代金鹵熒光燈、超大屏幕和太陽(yáng)能lED路燈及大功率LED在城市照明等方面的新潮應用作分析。
在此，首先分析究竟是什么原因引起高功率LED如此紅火。以下幾個(gè)因素可能是使人們對此頗受青睞的原因。
⑴　在提高能源效率上大有作為
高功率LED極為節約能源，而且與比其它技術(shù)相比，LED每W電發(fā)出更高的亮度。例如普通高功率LED每W可以提供80lm，而節能燈(CFL)可以提供每W70lm，普通白熾燈每W只能提供15lm。特殊高功率LED耗能在1W到1OW之間。與40W的低功率家用燈泡和60W的普通白熾燈耗能相比，它的耗能是相當低的。
⑵　LED光源的技術(shù)日趨成熟
每W發(fā)光lm迅速增長(cháng)，高功率LED的光輸出已經(jīng)實(shí)現了具有重要里程碑意義的100lm／W，有的制造商甚至聲稱(chēng)其LED的光輸出達到了120lm／W。這意味著(zhù)，就能量效率而言，LED如今已經(jīng)超越了節能燈CFL。預測，到2012年，LED的光輸出將達到150lm／W。
⑶　更好的照明效果是眾望所歸
通常顯色的強度是從1到100，當LED顯色的強度到達100時(shí)，LED與陽(yáng)光在視覺(jué)光譜上完全一樣。好的顯色指數(CRI)通常都是在90以上，而許多節能燈泡的顯色指數在75到90之間，白熾燈的CRI可以達到100。但LED的CRI現在達到90或90以上。正是因為技術(shù)的進(jìn)步，不論是白色還是彩色高功率LED的顯色指數都很高，大大提高了高功率LED亮度的品質(zhì)。反之，若顯色指數下降到低于80的時(shí)候，在這種光下看到東西的顏色與真實(shí)的顏色不一致甚至有很大差距。既然高功率LED如此火爆，為此將對其在新潮的戶(hù)外照明實(shí)業(yè)化應用上作例舉說(shuō)明。
2高功率LED在照明實(shí)業(yè)化上的應用例舉
2.1取代傳統的金鹵熒光燈及其在超大屏幕等方面的應用
⑴在太陽(yáng)能街道照明系統的光源方面的應用
LED正在取代傳統的熒光燈和高強度氣體放電燈(HID)。HID包括金屬鹵化物燈(簡(jiǎn)稱(chēng)“金鹵燈”)、高/低壓鈉燈和水銀蒸氣燈等多種類(lèi)型，其中憑借著(zhù)相對較高的發(fā)光效率，金屬鹵化物燈應用得更為普遍。如今，隨著(zhù)LED性能的快速提升，它在替代金鹵燈方面顯示出了更大潛力，要提供同等的光輸出，所使用的LED數量將會(huì )更少，從而提供LED的經(jīng)濟適用性。以100W金鹵燈為例，其平均光輸出流明數為3500lm，所以L(fǎng)ED將具有越來(lái)越大的經(jīng)濟適用優(yōu)勢。為了適應LED在性能上快速提升的趨勢，必須采用如模塊化等設計技術(shù)。所謂模塊化設計技術(shù)是在光輸出等方面性能的持續提升，要提供相同的總光能輸出，就可以使用更少的LED光條，從而降低需要使用的LED的成本。圖1為L(cháng)ED模塊化途徑替代鹵燈光源示意圖。

圖1LED模塊化途徑替代鹵燈光源示意圖
⑵LED模塊化在超大屏幕上的應用
如今在霓虹燈行業(yè)有很多高功率LED的應用方案。除顯示墻圖片外，還有超大屏幕（見(jiàn)圖2所示）、應急照明、出口處照明、廣告牌、裝飾或者建筑照明。

圖2高功率LED作為超大屏幕的應用示意圖
2.2太陽(yáng)能LED路燈應用與實(shí)現技術(shù)
與現有的白熾燈、熒光燈、節能燈、和高壓鈉燈相比，LED光源具有6大明顯的優(yōu)點(diǎn)，包括：使用壽命長(cháng)(使用壽命可達5萬(wàn)到10萬(wàn)小時(shí)，比傳統光源壽命長(cháng)10倍以上)、節能省電(比相同照明效果傳統光源節能80％以上)、應用簡(jiǎn)單方便、使用成本低、堅固和環(huán)保(無(wú)輻射，廢棄物可回收，不含汞元素)，因而使得它在當今講究節能環(huán)保的經(jīng)濟形勢下成為了一個(gè)非常吸引人的選擇。正因為如此，它為太陽(yáng)能照明的應用拓寬了又一渠道：即把太陽(yáng)能照明最佳的實(shí)現方法是和發(fā)光器件結合在一起，以構成獨立的照明裝置。目前，最有前景的是太陽(yáng)能LED路燈的經(jīng)濟價(jià)值最高，因為普通的路燈需要鋪設很長(cháng)的輸電線(xiàn)路，而且隨著(zhù)距離的增加，電壓會(huì )逐漸降低，經(jīng)過(guò)一定距離還要用變壓器升壓。其電源線(xiàn)路的鋪設要投入很高的費用。而太陽(yáng)能路燈則不然，因為每一根路燈桿都是獨立的，不需要鋪設輸電線(xiàn)路，這就大大降低了架設的費用，而且LED的發(fā)光效率遠高于白織燈。
⑴太陽(yáng)能路燈的構成
不管是那一種太陽(yáng)能路燈，都是由5個(gè)部分組成：太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制裝置、LED、LED的驅動(dòng)芯片。通常太陽(yáng)能電池板掛在高桿上，充放電控制器和鉛蓄電池放在地面的控制箱內，驅動(dòng)芯片和LED都裝在燈頭里。其示意圖如圖3所示。

圖3太陽(yáng)能路燈的構成示意框圖
但是由于充放電控制器只能對蓄電池的充放電過(guò)程的控制和定時(shí)(或光控)向LED供電，并不能穩定其輸出電壓。這就是太陽(yáng)能燈具所面臨的重要挑戰，如何應對是問(wèn)題的關(guān)鍵，需要解決LED恒流驅動(dòng)問(wèn)題。
⑶LED恒流驅動(dòng)的應用
由上述可知，作為一種光源，因為L(cháng)ED的最大缺點(diǎn)就是它的發(fā)光不穩定，很容易受到電壓與溫度的影響。而且，它對電壓和溫度的靈敏度還很高。所以一定要采用恒流驅動(dòng)來(lái)克服它的發(fā)光不穩定。比較有效的辦法是采用恒流驅動(dòng)IC來(lái)穩定LED的正向電流。采用—個(gè)集成電路（如太陽(yáng)能升壓驅動(dòng)芯片PAM2842與內置8／16通道線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器的PWM控制器）來(lái)控制LED的電流，使其不論在電池電壓降低或是環(huán)境溫度升高時(shí)都能保持正向電流恒定。在此僅對內置8／16通道線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器的PWM控制器應用作分析。
以MAX16807-MAX16810為例，它可提供92％的效率和高達5000：1的亮度調節范圍，是完全集成的開(kāi)關(guān)模式線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器，適用于LCD的RGB或白光LED背光、抬頭顯示系統和高亮度照明應用等。該芯片上開(kāi)關(guān)模式控制器為L(cháng)ED陣列提供電壓。通過(guò)各路集成線(xiàn)性輸出(恒流吸人型)實(shí)現LED陣列中每一列的恒流控制。對于通常需要開(kāi)關(guān)模式LED驅動(dòng)器和眾多分立元件的應用來(lái)說(shuō)，MAXl6807-MAXl6810提供具有成本效益的背光照明方案。在這類(lèi)應用中采用該系列器件，不必再擔憂(yōu)LED電流精度和通道匹配問(wèn)題，并可極大地減少元件數量和節省電路板空間。這些驅動(dòng)器除了在太陽(yáng)能路燈應用外，也是LCD電視、PC監視器、汽車(chē)、工業(yè)和醫療設備LCD中LED背光照明的最佳選擇。圖4為內置8／16通道線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器的PWM控制器MAX16807-MAX16810應用示意圖。從圖中可知：它是Boost或BUck-boost(SEPIC)預調節器（電感線(xiàn)圈L是一組件），能為L(cháng)ED陣列提供經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電壓；PWM是獨立工作或配合微控制器工作，可同時(shí)調光和/或單獨控制每個(gè)通道，其高達30kHz的調光頻率；通過(guò)單個(gè)電阻RSET設置LED電流，其每一列電流高達55mA；可并聯(lián)輸出提供更大電流，通道間的電流匹配精度達3％；具有獨立的閉環(huán)電流控制，是40VouT引腳額定電壓。因此，它更是在LCD中的WLED或RGBLED背光照明的理想之用。

圖4內置8／16通道線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器的PWM控制器應用示意
⑷太陽(yáng)能路燈構成的一個(gè)新方案
該方案是將圖3太陽(yáng)能路燈構成中省去LED恒流驅動(dòng)模塊。直接由多功能充電控制器來(lái)控制LED燈具。因為其中的充電控制器功能大大增加，它能用于保護電池免受過(guò)充或欠充影響，并防止反向電流。PWM型控制器會(huì )控制對電池充電的電量，并可實(shí)現細流充電，從而保護電池并延長(cháng)使用壽命。最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對太陽(yáng)能電池不斷變化的V/I特性曲線(xiàn)提供補償，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。該方案中充電控制器是太陽(yáng)能路燈的核心，據此可選擇用CS51221增強型電壓模式PWM控制器為充電控制器。
⑸太陽(yáng)能路燈的具體應用實(shí)例
如圖5所示，它是一個(gè)內裝24顆3W的LED燈具，其安裝高度為4．6m左右。

圖5內裝24顆3W的LED燈具示意圖
2.3大功率LED在城市照明中的應用
所謂大功率LED是具有世界最高亮度(即外量子效率)的芯片(如科銳公司大功率LEDXLamp芯片)，其具有的先進(jìn)技術(shù)指標為：如藍光479nm在350mA下輸出可達42lm以上的指標；白光產(chǎn)品具有冷百色域內典型350mA下輸出可達114lm以上的指標。為此，大功率LED在城市照明上具有獨特之優(yōu)勢：全白色范圍，先進(jìn)的輸出通量和發(fā)光效率，又有色點(diǎn)穩定性好、光照均勻及長(cháng)壽命等特點(diǎn)。例如在路燈中的應用，其大功率LEDXLampXR—E型具有1001m／W級的發(fā)光效率，只要使用少于100顆的XR-LED就可以取代傳統路燈光源，使LED照明在路燈中的應用更加完美，如圖5所示。

圖6大功率LED在城市照明中的應用示意圖
圖6的特點(diǎn)：A區為近區域使用裸的LED器件，B中間區域使用帶橢圓透鏡的LED，c區最遠的區城使用帶平行光透鏡的LED。
3高亮度白光LED需要高性能驅動(dòng)器的支撐
高亮度白光LED正在迅速取代白熾燈照明。然而為了確保最佳性能和長(cháng)工作壽命，LED需要一個(gè)有效的驅動(dòng)電路。這些驅動(dòng)電路必須能夠靠一個(gè)精確穩定的電源軌工作，對電流和溫度進(jìn)行限制。無(wú)論輸入電壓如何變化，LED驅動(dòng)器都要向LED串/并提供恒定電流，以保持恒定光輸出和顏色不變。出于這個(gè)原因，常常需要恒定頻率電流模式LED驅動(dòng)器拓撲。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動(dòng)態(tài)特性并提供逐周期限流，從而向LED提供恒定電流。最后，LED驅動(dòng)器必須提供高于90％的效率，以最大限度減少對外部散熱器的需求并保持照明系統的高效率。當今作為新型的高亮度LED驅動(dòng)器的芯片已不斷在市場(chǎng)上問(wèn)世。值此，對高性能驅動(dòng)器的支撐用幾個(gè)典例作說(shuō)明。
3.1工作在升壓模式的單LED驅動(dòng)器IC應用
工作在升壓模式的單LED驅動(dòng)器IC(凌力爾特公司)，所驅動(dòng)的是—個(gè)典型50WLED串。其LT3755型芯片是一個(gè)60V、高端電流檢測DC／DC轉換器，用來(lái)驅動(dòng)大電流LED。4.5V—40V的輸入電壓范圍使其非常適用于多種應用，包括工業(yè)和建筑照明。LT3755使用一個(gè)外部N溝道MOSFET，可以用標稱(chēng)12V輸入驅動(dòng)多達14個(gè)白光LED，從而提供超過(guò)50W的功率。用一個(gè)24V輸入，它可以為多達20個(gè)LED供電，從而提供總共75W的LED功率。圖7為工作在升壓模式的LT3755型LED驅動(dòng)器引腳與功能圖。

圖7工作在升壓模式的LT3755型LED驅動(dòng)器引腳與功能圖
LT3755采用高端電流檢測，從而使其能夠在升壓、降壓，降壓—升壓或SEPIC和反激式拓撲中使用。在這個(gè)例子中，LT3755用于升壓模式，可以提供超過(guò)94％的效率，從而無(wú)需任何散熱器并最大限度減輕了對熱量問(wèn)題的擔憂(yōu)，采用LT375550WLED升壓電路的效率和VIN的關(guān)系如圖7所示。一個(gè)頻率調節引腳允許用戶(hù)在100kHz-1MHz的范圍內對頻率編程，從而優(yōu)化了效率，同時(shí)最大限度地減小了外部組件尺寸和成本。加之3mmx3mmQFN封裝，LT3755提供一個(gè)非常緊湊的50W-75WLED驅動(dòng)器解決方案。
LT3755使用TrueColorPWM調光，以高達3000：1的調光范圍提供恒定LED顏色。就要求較低的調光需求而言，CTRL引腳可以用來(lái)提供10：1的模擬調光范圍。其固定頻率、電流模式架構在寬電源和輸入電壓范圍內提供穩定工作。一個(gè)以地為基準電壓的FB引腳用作幾個(gè)LED保護功能的輸入，從而使該轉換器能夠作為恒定電壓源工作。
圖7中的設計可以用在多種不同的配置中。LED在50W聚光燈配置中可排列成單個(gè)陣列，以取代一個(gè)125W的熒光燈或高壓鈉燈，全部相當于一個(gè)500W光輸出、散熱百分數非常小的鹵素燈。除了節能，由LT3755驅動(dòng)的LED還堤供即時(shí)接通功能、顏色純凈得多的光，以及能夠快速和準確地對LED調光?；蛘?，也可以將多達14個(gè)4W的LED配置為活動(dòng)式投射燈，每個(gè)燈都能以同樣或更好的光顏色提供相當于一個(gè)40W鹵素燈的光輸出，同時(shí)降低了非常熱的鹵素燈所固有的火災風(fēng)險。類(lèi)似地，LED還可以取代幾個(gè)熒光燈。
3.2超小型高亮度LED驅動(dòng)器可簡(jiǎn)化照明設計
40V、350mA、TQFN封裝的LED驅動(dòng)器MAX16803，比TO-263封裝節省83％的電路板空間。其MAX16803是一款可調恒流源，可為一列或多列高亮度LED(HBLED)提供高達350mA的驅動(dòng)電流．最高40V的寬輸入電壓范圍允許串聯(lián)數目較多的LED。MAX16803理想用于電視、車(chē)載和計算機顯示器中的白光和RGBLED背光驅動(dòng)。該調節器集200mV、低壓電流檢測基準與差分LED電流檢測技術(shù)于一身，可提供±3.5％的負載電流精度。這種電流精度能提供均勻的亮度。該器件提供低壓差調整元件(0.5V，典型值)和低壓電流檢測基準，可使系統功耗降至最低。通過(guò)專(zhuān)門(mén)的亮度調節輸入實(shí)現LED電流的PWM調節功能，從而對亮度進(jìn)行調整。波形整形電路產(chǎn)生平緩的LED電流上升沿和下降沿具有相同的持續時(shí)間，進(jìn)而降低開(kāi)、關(guān)瞬態(tài)的EMI。圖8為用Max16803LED驅動(dòng)器簡(jiǎn)化照明示意圖。

圖8用Max16803LED驅動(dòng)器簡(jiǎn)化設計示意圖
該設計的特征：高達45V的甩負載保護IN、EH和DIM，寬PWM亮度調節范圍，利用RSENS調節LED電流，+5V調節器給微控制器供電。
主要功能：利用外部BJT(雙極結晶體管)可提供高達2A的LED電流；±3.5％的LED電流精度；波形整形控制大為降低PWM亮度調節過(guò)程中的EMI；200mV低壓電流檢測基準可極大地降低功耗；工作電壓可低至+5V，適合汽車(chē)冷啟動(dòng)；具有短路保護與熱關(guān)斷；可工作于-40℃至+125℃溫度范圍?？衫硐胗糜谄?chē)內部和外部LED照明、重點(diǎn)和建筑LED照明及信號標志和LED立體發(fā)光字。
3.3基于微控制器的驅動(dòng)解決方案可為照明系統設計帶來(lái)更大的靈活性
除上述高亮度LED驅動(dòng)器之外，基于微控制器(MCU)的驅動(dòng)解決方案可為照明系統設計帶來(lái)更大的靈活性。也就是說(shuō)，除了普通照明以外，這種控制器還能為最終應用提供足夠的處理功能以支持額外的特性。因此，它具有較大的吸引力?；谖⒖刂破鞯尿寗?dòng)解決方案設計的優(yōu)點(diǎn)是：燈光亮度調節和閃爍可以通過(guò)MCU軟件輕松實(shí)現，而無(wú)需向系統中增裝其它組件；不同功率或不同品牌的HB-LED具有不同的特征，MCU可以通過(guò)軟件編程以滿(mǎn)足不同的驅動(dòng)要求。在這種情況下，照明設備制造商可以減少庫存的類(lèi)型，進(jìn)而簡(jiǎn)化物流處理工作；許多MCU具有芯片閃存，可以用于應用中的數據存儲。例如，在實(shí)施燈光亮度控制功能時(shí)，芯片閃存可用于保存亮度級別，每次打開(kāi)燈光時(shí)可以自動(dòng)恢復上一次的亮度級別。除照明外，MCU還可以處理幾種功能，如不同類(lèi)型的連接標準(如Zigbee、RS-232和LIN等)亦可以通過(guò)MCU芯片模塊輕松實(shí)施。其用于HB-LED照明的MC9RS08KA2系統就是一典例。MC9RS08KA2也支持8引腳封裝，不帶芯片ADC，但包括ACMP，這對HB-LED應用來(lái)說(shuō)也已經(jīng)足夠了。圖8是基于MC9RS08KA2的簡(jiǎn)單降壓變換器系統示意圖。在很多情況下，應用電源電壓ViN與MCU的電源電壓不同。有時(shí)需要使用特定的電壓調節器(可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的接地齊納二極管)將Vin降低到MCU操作范圍VDD。此外還需要電平轉換器，使MCU能夠撥動(dòng)電壓高于MCUVDD的高端開(kāi)關(guān)SWl。PTA4與PTA5為MC9RS08KA2通用輸出端。MC9RS08KA2的簡(jiǎn)單降壓變換器系統除具有HB-LED照明外，可以通過(guò)軟件流程實(shí)現亮度控制、電源電壓補償等靈活功能。

圖9基于微控制器的上照明驅動(dòng)方案示意圖
4　結語(yǔ)：拓寬與前景
高功率LED照明用的顯著(zhù)優(yōu)勢成為越來(lái)越多人的選擇。從應用的角度來(lái)看，小于25W的LED照明應用將逐漸滲透到便攜式手持產(chǎn)品(如PMP和MID)、閱讀臺燈、餐燈、床頭燈、標志燈、裝飾燈、格柵仃、汽車(chē)尾燈、汽車(chē)近光燈、汽車(chē)轉彎燈，甚至汽車(chē)信息娛樂(lè )顯示器。25W~100W的LED照明應用可在汽車(chē)前照燈、辦公室照明和建筑照明用途中找到用武之地。100W以上的LED照明應用將在大屏幕LCD-TV、高速公路、大型廣場(chǎng)、電視墻和工業(yè)照明中得到廣泛普及。
需要特別指出是，在應用上最近三原色(RGB)LED的改進(jìn)，顯著(zhù)改善了白色及彩色LED宇幕。紅綠藍(RGB)LED把紅、綠、藍三種顏色的芯片封裝在一起，能夠發(fā)出不同顏色的光。以前RGBLED發(fā)出的混色光非常不穩定，而高功率LED驅動(dòng)器成功解決了這一技術(shù)難題。最近，高功率的RGBLED比其它照明的靈活性更高。LED系統結構緊湊，可以和傳感器、其它照明控制器如調光器、日光控制器及動(dòng)態(tài)光調節器連在一起使用。與此同時(shí)，人們還會(huì )把高功率LED應用到傳感器技術(shù)上實(shí)現自動(dòng)開(kāi)啟功能及紅外線(xiàn)LED技術(shù)領(lǐng)域，到時(shí)夜視系統將大大改善?！?/div>