- LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比
- 采用固定電壓電源供電
- 采用恒流線性穩(wěn)壓器
發(fā)光二極管(HB-led)在每封裝流明輸出和光效(efficacy,單位為流明/瓦或lm/W)方面的性能快速提升。商用的1WLED已提供有冷色溫LED(色溫5000K)的每封裝流明輸出超過100流明,光效達(dá)100lm/W,而相同功率等級(jí)的暖色溫白光LED(色溫3000至3500K)也超過了70到80流明。
與兩年前相比,這些性能等級(jí)提高了30-40%。有了這樣的性能,LED如今正逐步發(fā)展成為眾多高性能應(yīng)用中傳統(tǒng)白熾燈、鹵素?zé)艉蜔晒鉄舻那袑?shí)可行的替代光源。因此,固態(tài)照明(SSL)相當(dāng)多地滲入到了汽車、商業(yè)和景觀照明,以及城市街道照明之中。LED還能用于新應(yīng)用,如基于實(shí)際太陽能板的遠(yuǎn)程照明,因?yàn)檫@很容易藉可充電電池產(chǎn)生LED所要求的直流驅(qū)動(dòng)電流。此外,恰當(dāng)設(shè)計(jì)的話,LED燈具的工作壽命可達(dá)3萬至5萬小時(shí),因而顯著降低替代燈泡方面常見的維護(hù)成本。
然而,就控制及驅(qū)動(dòng)這些LED而言,在使用的方面存在不少矛盾之處。例如,許多照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用或修改的已有電源方案并沒有充分顧及HB-LED的獨(dú)特驅(qū)動(dòng)要求。如果設(shè)計(jì)人員要優(yōu)化LED照明所能提供的優(yōu)勢(shì),必須仔細(xì)考慮驅(qū)動(dòng)及控制這些器件所使用的技術(shù),從而提供高能效及高性價(jià)比的方案。
HB-LED照明系統(tǒng)的主要組件包括LED發(fā)射器、電源轉(zhuǎn)換、控制及驅(qū)動(dòng)、熱管理,以及眾多應(yīng)用中會(huì)涉及到的光學(xué)組件。如果不充分考慮所有這些組件,相應(yīng)的LED照明系統(tǒng)就不太可能得到優(yōu)化。LED與大多數(shù)燈泡不一樣,是帶有指向性的光源,故在諸多應(yīng)用中,使用鏡頭、反射鏡或擴(kuò)散板來提供所需的發(fā)光圖案以及燈具的照明外觀至關(guān)重要。
同樣,如果不恰當(dāng)處理熱管理問題,照明系統(tǒng)的工作壽命也會(huì)大幅縮短,從而沖抵使用長壽命LED的主要優(yōu)勢(shì)。電源和驅(qū)動(dòng)方面對(duì)照明系統(tǒng)的長期工作同等重要。HB-LED照明設(shè)計(jì)中的供電電壓源取決于所投入應(yīng)用的類型。就建筑物及室內(nèi)照明而言,電壓源通常是交流主電源。戶外照明可能采用寬泛穩(wěn)壓的電源,如低壓交流電源、帶備用電池的太陽能板或交流主電源。在汽車應(yīng)用中,電源通常是鉛酸電池(12Vdc)。
如果沒有某種形式的電源轉(zhuǎn)換,應(yīng)當(dāng)避免使用電壓源來驅(qū)動(dòng)LED發(fā)射器,這是由于正常的電壓波動(dòng)會(huì)造成LED電流大幅變化,因?yàn)長ED的電壓/電流(V/I)曲線非常陡峭;在不同驅(qū)動(dòng)電流、溫度和生產(chǎn)(不同批次)差異條件下,LED正向電壓變化范圍較寬。此外,出于安全因素,大多數(shù)交流主電源應(yīng)用都有基于電子開關(guān)電源或磁變壓器的隔離電源轉(zhuǎn)換,將高線路電壓轉(zhuǎn)換為適合驅(qū)動(dòng)LED的安全低電壓。
LED驅(qū)動(dòng)電路的其中一項(xiàng)主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流,而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)電路必須符合能效、電容容限、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。與此同時(shí),所選的方法必須易用及足夠強(qiáng)固,從而適應(yīng)特定應(yīng)用的極端環(huán)境。有幾種不同的穩(wěn)流方法。
采用固定電壓電源供電的電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的穩(wěn)流方法。實(shí)際上,它們并不穩(wěn)流,只是在LED正向電壓變化及源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起亮度變異時(shí),簡(jiǎn)單地限制最大電流。對(duì)于低電流指示器應(yīng)用而言,這可能可以接受,但隨著電流增大及串聯(lián)的LED數(shù)量增加,就變得有問題了。要克服這個(gè)問題,需要費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)地對(duì)LED進(jìn)行編碼及選擇恰當(dāng)?shù)碾娮鑱砥ヅ銵ED串正向電壓。即使采取這些步驟,仍然會(huì)有由輸入電壓變化導(dǎo)致的亮度變化問題。
另一種穩(wěn)流方法選擇是恒流線性穩(wěn)壓器(CCR)。它們易于設(shè)計(jì),能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性,如高溫時(shí)電流反走及調(diào)光控制。CCR可以涵蓋簡(jiǎn)單的雙端穩(wěn)壓器到靈活的可調(diào)節(jié)電流設(shè)定點(diǎn)線性穩(wěn)壓器集成電路。CCR的主要局限是輸入電壓源必須永遠(yuǎn)高于輸出正向電壓以恰當(dāng)工作,而且它們可能能效較低,熱耗散較高。后一點(diǎn)(即熱耗散)是LED驅(qū)動(dòng)電流、輸入電源變化及正向電壓變化的直接函數(shù)。
因此,在設(shè)計(jì)及選擇過程中,封裝及總體散熱能力是關(guān)鍵考慮因素。通常線性驅(qū)動(dòng)器能并行配置以擴(kuò)散熱耗散,或者必須裝配在有散熱能力的封裝內(nèi)。安森美半導(dǎo)體的NSI45030是一款CCR示例,這器件穩(wěn)流電平為30mA,是將CAT4201采用緊湊型雙端SOD123封裝而成的器件;CAT4201能支持高達(dá)1A電流,具有調(diào)光控制接口,采用D2PAK封裝,能夠耗散大量功率。
圖1：并行配置30mANSI45030恒流穩(wěn)壓器以提高電流能力示例
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出于能效因素及靈活性,開關(guān)穩(wěn)壓器被廣泛使用。這種方法成本較高,技術(shù)也較復(fù)雜,但能提供顯著優(yōu)勢(shì),如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系,且根據(jù)輸入/輸出條件,能效能夠高于90%。與線性穩(wěn)壓器不同,它們對(duì)電磁干擾(EMI)很敏感,給設(shè)計(jì)人員帶來另一項(xiàng)需要注意的設(shè)計(jì)約束。對(duì)于中到大功率應(yīng)用或涉及寬輸入電壓范圍的應(yīng)用而言,開關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇;且許多應(yīng)用中優(yōu)化了開關(guān)穩(wěn)壓器型LED驅(qū)動(dòng)器,從而應(yīng)用LED調(diào)光控制。
由于LED發(fā)射的光與通過LED的平均電流成正比,CCR同樣也提供調(diào)節(jié)光輸出的能力。通過模擬或數(shù)字脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)提供調(diào)光。模擬方法注入模擬信號(hào)至反饋電壓,從而使平均輸出電流減小。數(shù)字方法使用輸入PWM信號(hào)來抑制穩(wěn)壓器的開關(guān),并降低平均輸出電流。典型調(diào)光頻率介于200Hz與1,000Hz之間,因?yàn)槿搜鄄荒懿煊X頻率高于100Hz時(shí)的細(xì)微變化。
三種基本的驅(qū)動(dòng)器/穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別是降壓、升壓、降壓-升壓(又稱為單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換,簡(jiǎn)稱SEPIC)。在降壓電路中,最低輸入電壓(Vin)在所有工作條件下永遠(yuǎn)高于LED串的最大電壓,而在最大輸入電壓始終低于LED串最小電壓時(shí)使用升壓電路。由于恒流驅(qū)動(dòng)器的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬性,它要求額外的電路,用于LED開路及輸出短路保護(hù)。圖1顯示了典型的LED降壓配置。注意跟傳統(tǒng)降壓架構(gòu)不同,這配置中開關(guān)接地參考,LED串是浮接(floating)的。這拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于專利的臨界導(dǎo)電模式(CrM)降壓架構(gòu),即使沒有直接感測(cè)到流過LED串的電流,也會(huì)對(duì)LED平均電流進(jìn)行穩(wěn)流。
圖2：CAT4201高集成度350mALED降壓驅(qū)動(dòng)器,可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)7顆LED
SEPIC技術(shù)用于輸入電壓與輸出電壓交疊的應(yīng)用。耦合電感領(lǐng)域的進(jìn)步使這些方案更易于應(yīng)用,且與降壓或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,不會(huì)滋生尺寸方面的不利影響。實(shí)際上,理解透徹的話,與更常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,SEPIC可以提供眾多優(yōu)勢(shì),提供更高的能效等級(jí)、更小的外形因數(shù)及更低的成本。輸入和輸出電壓交疊時(shí),除了SEPIC,也可使用一種非隔離型降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但在這種情況下,LED不再連接至地及直接感測(cè)LED平均電流。下圖是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)示例,在這種結(jié)構(gòu)中,LED負(fù)載可以是3顆或4顆串聯(lián)的1WLED。輸入電壓是12Vac,這種電壓常用于MR16及低壓景觀照明等軌道燈。
圖3：安森美半導(dǎo)體Greenpoint3-5WMR16參考設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化框圖
針對(duì)給定應(yīng)用去評(píng)估最恰當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動(dòng)器方案時(shí),有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇,但也須考慮不同的取舍。雖然大多數(shù)應(yīng)用采用可以產(chǎn)生12V、24V或36V電壓的離線AC-DC電源供電,但采用太陽能供電/電池組、汽車或低壓交流等寬泛穩(wěn)壓電源供電的應(yīng)用也非常多。這些寬泛穩(wěn)壓的電源帶來更多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),在輸入電壓范圍與輸出電壓范圍交疊時(shí)要求更多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。理想情況下,如果設(shè)計(jì)人員能夠靈活地選擇LED配置,最好選擇輸入電壓始終高于最壞情況正向電壓的配置,從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)要求。由于高亮度LED技術(shù)持續(xù)演進(jìn)及改良,LED照明轉(zhuǎn)向?qū)嵱玫膽?yīng)用數(shù)量應(yīng)該會(huì)大幅增加,而且由于它們的低壓特性,將涌現(xiàn)不需要離線交流電源的新應(yīng)用。
