就普通照明而言，LED技術(shù)已經(jīng)可以滿足生產(chǎn)高品質(zhì)燈具的要求，但是具體生產(chǎn)高品質(zhì)LED燈具時(shí)，則需要掌握電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)等三個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。很少有同時(shí)精通于三個(gè)領(lǐng)域的工程師，而如果電源工程師還負(fù)責(zé)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，他多半會(huì)將更多精力放在控制輸出電流的精確度上。毫無疑問，精確度非常重要，但當(dāng)我們的最終產(chǎn)品是一個(gè)燈具時(shí)，它發(fā)出的光的品質(zhì)才是我們所關(guān)心的重點(diǎn)所在。
本文重點(diǎn)探討了如何對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，因?yàn)楫?dāng)我們關(guān)心輸出光品質(zhì)時(shí)，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流的控制將會(huì)成為影響LED電源成本的重要因素。為了使用于LED供電電源設(shè)計(jì)的每分錢都充分發(fā)揮作用，我們?cè)诒疚闹刑岢隽艘粋€(gè)最佳方案——封閉實(shí)際光輸出的控制回路。
半導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn)，使同時(shí)專長于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)(機(jī)械工程)這三個(gè)領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前，在三個(gè)領(lǐng)域都富有經(jīng)驗(yàn)的工程師并不很多，而這通常意味著系統(tǒng)工程師或者整體產(chǎn)品工程師的背景要和這三大領(lǐng)域相關(guān)，同時(shí)他們還需盡可能與其他領(lǐng)域的工程師協(xié)作。
系統(tǒng)工程師常常會(huì)把自己原領(lǐng)域養(yǎng)成的習(xí)慣或積累的經(jīng)驗(yàn)帶入設(shè)計(jì)工作中，這和一個(gè)主要研究數(shù)位系統(tǒng)的電子工程師轉(zhuǎn)去解決電源管理問題時(shí)所遇到的情況相同：他們可能依靠單純的模擬，不在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)電源做測(cè)試就直接在電路板上布線，因?yàn)樗麄儧]有認(rèn)識(shí)到：開關(guān)穩(wěn)壓器需要仔細(xì)檢查電路板布局；另外，如果沒有經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，實(shí)際的工作情況很難與模擬一致。
在設(shè)計(jì)LED燈具的過程中，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位元電子電力專家，或者若電源設(shè)計(jì)被承包給一家工程公司時(shí)，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)中常見的習(xí)慣就會(huì)出現(xiàn)在LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中。一些習(xí)慣是很有用的，因?yàn)長ED驅(qū)動(dòng)器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。兩類電路都工作在較寬的輸入電壓范圍和較大的輸出功率下，另外這兩類電路都面對(duì)連接到交流電源、直流穩(wěn)壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來的挑戰(zhàn)。
電力電子工程師習(xí)慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器而言并不是很好的習(xí)慣。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)位負(fù)載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴(yán)格的控制，以防止出現(xiàn)較高的誤碼率。因此，數(shù)位電源軌的公差通常會(huì)控制在±1%以內(nèi)或比它們的標(biāo)稱值小，也可用其絕對(duì)數(shù)值表示，如0.99V至1.01V。在將傳統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)習(xí)慣引入LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)領(lǐng)域時(shí)，帶來的問題就是：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流公差的嚴(yán)格控制，將浪費(fèi)更多的電力并使用更昂貴的元件，或者二者兼而有之。
善用每一分預(yù)算
理想的電源是成本不高，效率能達(dá)到100%，并且不占用空間。電力電子工程師習(xí)慣了從客戶那里聽取意見，他們也會(huì)盡最大力量去滿足那些要求，力圖在最小的空間和預(yù)算范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)也不例外，事實(shí)上它面對(duì)更大的預(yù)算壓力，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的照明技術(shù)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了商品化，其價(jià)格已經(jīng)非常低廉。所以，花好預(yù)算下的每一分錢都非常重要，這也是一些電力電子設(shè)計(jì)師工程師被老習(xí)慣“引入歧途”的地方。
要將LED電流的精確度控制到與數(shù)位負(fù)載的供電電壓的精度相同，則會(huì)既浪費(fèi)電，又浪費(fèi)錢。100mA到1A是當(dāng)前大多數(shù)產(chǎn)品的電流范圍，特別是目前350mA(或者更確切地說，光電半導(dǎo)體結(jié)的電流密度為350mA/mm2)是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案?？刂芁ED驅(qū)動(dòng)器的積體電路是矽基的，所以在1.25V的范圍內(nèi)有一個(gè)典型的帶隙。要在1.25V處達(dá)到1%的容差，亦即需要±12.5mV的電壓范圍。這并不難實(shí)現(xiàn)，能達(dá)到這種容差或更好容差范圍的低價(jià)電壓參考電路或電源控制IC種類繁多，價(jià)格低廉。當(dāng)控制輸出電壓時(shí)，可在極低功率下使用高精度電阻來回饋輸出電壓(如圖1a所示)。為控制輸出電流，需要對(duì)回饋方式做出一些調(diào)整，如圖1b所示。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡單的手段。
圖1a 電壓回饋 圖1b 電流回饋
深入研究之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣做的一個(gè)主要缺點(diǎn)是：負(fù)載和回饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與LED串聯(lián)的一個(gè)電阻上，這意味著參考電壓或LED電流越高，電阻消耗的功率越大。所以，第一代專用LED驅(qū)動(dòng)積體電路的參考電壓要遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的產(chǎn)品，這類似于電池充電器。電壓更低意味著功耗更低，也意味著更小、更便宜、更低損耗的電流檢測(cè)電阻。在圖1b所示的簡單的低端回饋環(huán)境下，200mV是常規(guī)的電壓選擇。但是，要在200mV參考電壓下實(shí)現(xiàn)±1%的容差，則需要一個(gè)價(jià)格很高的積體電路，此時(shí)相對(duì)于標(biāo)稱參考電壓的容差為±2mV。盡管這并不是不可能實(shí)現(xiàn)的，不過更高的精度需要更高的成本?！?mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測(cè)試和分級(jí)技術(shù)，此時(shí)，附加成本應(yīng)花費(fèi)在更智慧的LED驅(qū)動(dòng)器上。新的費(fèi)用的價(jià)值是增加了一個(gè)反饋回路，借助該回路，可以利用光輸出(而非電流輸出)來控制如何驅(qū)動(dòng)LED。
測(cè)量光輸出
就像數(shù)位產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在電源設(shè)計(jì)中遇到不確定問題時(shí)會(huì)采取模擬解決問題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構(gòu)師在進(jìn)行LED燈具設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)想到高精度的輸出。LED制造商已經(jīng)清楚的表明，光通量與前向電流成正比。利用相同的電流驅(qū)動(dòng)所有LED，那么每個(gè)LED會(huì)產(chǎn)生相同的光通量。因此，電力電子工程師就會(huì)得出結(jié)論：高精確度的電流是必須的。這樣一來，他們就忘記了光輸出的流明和勒克斯值(而不是安培值)才是重點(diǎn)。測(cè)量電流是很容易的，而相對(duì)的，測(cè)量光則需要昂貴的大型設(shè)備，如圖2所示的積分球，而大部分電子工程師對(duì)積分球都不太了解。
圖2 光學(xué)積分球截面圖
另外，即使容差為±0.1%的電流源(其價(jià)格會(huì)相當(dāng)高)有巨大的市場價(jià)值，它對(duì)在實(shí)際光輸出中產(chǎn)生嚴(yán)格的容差值上沒有什么作用。透過觀察LED光通量的分級(jí)可以確定這一點(diǎn)。表1給出了世界三大頂級(jí)電力光電半導(dǎo)體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級(jí)結(jié)果。注意最后一列是各分級(jí)的容差平均值，而不是所有光通量分級(jí)范圍內(nèi)的容差。
表1 全球前二大光電半導(dǎo)體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級(jí)結(jié)果
計(jì)算光輸出精度
了解到來自單個(gè)通量分級(jí)的LED光輸出會(huì)有±3%到±10%的容差之后，系統(tǒng)工程師可能會(huì)因此得出結(jié)論：驅(qū)動(dòng)電流容差值必須是越嚴(yán)格越好。然而從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來看，該觀點(diǎn)并不正確。一個(gè)常見的但不正確的假設(shè)是：任何值的整體容差都等于最壞條件下各值的簡單加總僅。為LED供電的電流源的容差和LED光通量的容差是互不相關(guān)的──它們?cè)谧畛蹼A段就已相互獨(dú)立。對(duì)于不相關(guān)的兩個(gè)因數(shù)X和Y，整體容差Z并不是X和Y的容差之和，而是應(yīng)該利用下述運(yùn)算式進(jìn)行計(jì)算：
表2和圖3給出了整體容差和一列假設(shè)電流源容差的對(duì)比情況，此時(shí)假設(shè)LED光輸出在350mA的區(qū)域內(nèi)隨前向電流呈線性變化。
圖3 光輸出整體容差與電流源容差的對(duì)比
表2 整體容差和一列假設(shè)電流源容差的對(duì)比
根據(jù)方程1可以發(fā)現(xiàn)，最低容差因數(shù)的作用大于其他，而且實(shí)際的整體容差值要遠(yuǎn)優(yōu)于各個(gè)因數(shù)在最壞情況下的容差的和，尤其是當(dāng)其中一個(gè)因數(shù)遠(yuǎn)好于其他因數(shù)時(shí)。觀察圖3，電流源容差的最合理的目標(biāo)是將其控制在LED光輸出的容差范圍內(nèi)。記住一點(diǎn)：出于成本考慮，許多燈具會(huì)使用來自不同分級(jí)的LED。
高品質(zhì)LED燈要求更多的回饋
LED制造商和他們的分銷伙伴正努力地改進(jìn)產(chǎn)品的光通量容差，在合理的成本范圍內(nèi)提供更細(xì)的分級(jí)。對(duì)于希望產(chǎn)品可使用5年或50,000個(gè)小時(shí)，并在使用期內(nèi)保持整體光輸出不變的設(shè)計(jì)師而言，即使想滿足最密集的通量分級(jí)和設(shè)定0.1%的容差電流源也很難實(shí)現(xiàn)。因?yàn)闊崃亢碗S著時(shí)間延長而產(chǎn)生的性能衰減等兩個(gè)重要因素會(huì)降低LED的光通量，即使電流源容差和LED光通量容差都達(dá)到0.001%也無法解決該問題。考慮到這些損耗，高品質(zhì)固態(tài)照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須找到具有額外反饋回路的電源，也即找到熱量和光源。為此需要進(jìn)行調(diào)光控制，可以對(duì)輸出電流進(jìn)行線性控制和PWM(脈寬調(diào)變)控制的積體電路便成為最佳選擇。
美國國家半導(dǎo)體的LM3409和LM3424都是LED驅(qū)動(dòng)器控制IC，它們是適用于半導(dǎo)體照明的第二代電流源。二款產(chǎn)品均可透過可變電阻器或電壓源來控制平均的LED電流值，并且可為PMW(脈寬調(diào)變訊號(hào))調(diào)光訊號(hào)提供專門的輸入訊號(hào)。除了線性控制回路外，LM3409和LM3424的類比調(diào)節(jié)功能也讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在權(quán)衡輸出電流精度及尺寸、成本和電流檢測(cè)電阻的功耗間做出自己的選擇。
圖4 LM3409/09HV降壓LED驅(qū)動(dòng)器
圖4所示的LM3409/09HV控制降壓電路，是功率LED驅(qū)動(dòng)器中最常用的電路模式。圖5中的LM3424可以作為升壓穩(wěn)壓器LED驅(qū)動(dòng)器，也可以作為降壓/升壓、SEPIC(單端主電感轉(zhuǎn)換器)、反激式甚至是''懸浮''降壓電路。
圖5 LM3424升壓LED驅(qū)動(dòng)器
需要光控制的應(yīng)用領(lǐng)域
路燈是一個(gè)很好的光源示例，因?yàn)樗袊?yán)格的法定標(biāo)準(zhǔn)限制。對(duì)于公路用路燈，歐盟國家規(guī)定了其最小和最大的光輸出及照明模式。對(duì)于符合此規(guī)定并提供五年或更長使用壽命的LED路燈來說，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到熱量引起的即時(shí)光通量損失和更長時(shí)間下性能下降帶來的通量損失。一種很自然的方法是使用光感測(cè)器，比如構(gòu)成線性控制回路的光電二極體。在系統(tǒng)啟用的第一天，應(yīng)當(dāng)就僅使用整體可用驅(qū)動(dòng)電流的一部分，這樣做是考慮到隨著時(shí)間推移，驅(qū)動(dòng)電流將慢慢增至一個(gè)上限，籍此保證光輸出恒定?？梢詫⒐怆姸O體偏置，并轉(zhuǎn)換為一路脈寬調(diào)變訊號(hào)，這將有助于在調(diào)光范圍內(nèi)維持更加恒定的相對(duì)色溫，其線性控制回路更加簡單，一般而言調(diào)光范圍也比較小。根據(jù)不同的時(shí)間、運(yùn)動(dòng)感測(cè)器或其他節(jié)省功耗的措施，對(duì)光輸出進(jìn)行控制時(shí)，PWM控制將更加有用。圖6給出了具有更長壽命、光輸出恒定的LED燈的假定的原理圖。
圖6 PWM(脈寬調(diào)變)用于日/夜控制，線性控制用于光輸出
本文小結(jié)
輸出電流精度只是評(píng)價(jià)LED驅(qū)動(dòng)器性能的一個(gè)方面，但是當(dāng)LED本身的光通量容差保持在遠(yuǎn)高于±1%的水準(zhǔn)時(shí)，即使對(duì)電流源容差和數(shù)文書處理器中電壓軌的容差要求一樣嚴(yán)格，也幾乎沒有任何意義，平均LED電流容差應(yīng)當(dāng)差不多等于光通量容差。本文基于單個(gè)分級(jí)的誤差示意了一種理想情況，并給出了一些更加實(shí)際的例子，這些例子使用兩個(gè)或更多分級(jí)的LED，其容差也可更輕松地達(dá)到±5%、±10%或更高。在額外的控制回路中，應(yīng)該將錢用于1%的電流控制，并將電力用在更高的檢測(cè)電壓上都可。有些LED燈會(huì)更強(qiáng)調(diào)簡單實(shí)用和低成本，此時(shí)即使采用線性調(diào)光也會(huì)顯得過于復(fù)雜和昂貴，但如果想要發(fā)揮LED全部性能的燈具就需要使用線性控制或PWM(脈寬調(diào)變控制)方式或者二者協(xié)調(diào)使用，從而提升產(chǎn)品性能和壽命。
表3 相同的LED所具有的高階兩級(jí)、三級(jí)、四級(jí)光通量分級(jí)下的容差值
