实例解析高功率LED照明设计

照明设计人员对发光二极管 (LED) 照明的力捧乃是因为潜在的众多好处，而这些好处是白炽灯、卤素灯、荧光灯及充气 / 弧光灯所缺乏的。虽然现今 LED 照明系统 的商机很大，但真正让照明设计人员雀跃不已的却是固态照明 (SolidStateLighting) 的基础设计。

要在 LED 照明设计上取得成功，必须密切关注三个因素，分别是电子驱动、散热管理和光学效率。唯有成功平衡这三个因素，才能享受固态照明所带来带来寿命长、高电子效率、高亮度和纯色 ( 或白色 LED 严格控制的色温 ) 等优点。针对如何选择高功率 LED(1 瓦及以上 ) 以及设计电路驱动等问题，本文将为设计人员提供极有价值的参考。

LED 串联配置可达理想照明标准

用于固态照明的 LED 晶粒一般由半导体材料制成。红色、橙色和琥珀色 LED 几乎都采用 InAlGaP 制成，绿色和蓝色 LED 则大多采 InGaN 制成；而白色 LED 则是使用带有转换荧光体的蓝色 LED ，若从电子驱动角度来看，则与蓝色 LED 相同。和标准的 PN 接面二极管相同的是，当 LED 被正向偏置时，它们开始传导电流；而与标准的 PN 接面二极管不同的则是正向偏置中的 LED 会发光。而由电流驱动 (LED 以及通过 LED 极低的直流正向电压等两种特性，使得 LED 不同于其他光源。 InAlGaPLED 典型的正向电压 VF 为 2 ～ 3 伏特，而 InGaNLED 的正向电压则为 3 ～ 4 伏特，但 LED 的光通量与正向电流 IF 成比例关系。电子驱动设计的第一个问题是固定驱动电流，第二个问题是确定每个 LED 的电压范围。仔细查看制造商的产品数据表，将会找到建议的驱动电流及相应电流条件下的 VF 、主波长和光通量标准值、最小值和最大值。典型的 VF 与 IF 对比图 ( 图 1) 要注意的是电流为独立的量，表示电流控制是 LED 驱动器的关键。

图 1 红色 InAlGapLED 和白色 InGaNLED 的 VF 与 IF 比较

近年来，虽然高功率 LED 具有重大发展，但单一装置仍无法满足一般照明需求。由业界生产的旗舰性产品 1 瓦白色 LED( 标准色温 6,500K) ，可产生 100 流明的光通量。但与典型的 60 瓦白炽灯泡相比， LED 照明射角相对较窄。白炽灯泡的典型发光效率为 15lm/W ，可产生 900 流明的光，几乎均匀地分布于各个方向。如果目标是照亮以前采用白炽灯泡的空间，则需要多个 LED 。将 LED 串联可保证流经每个设备的电流皆相等，并确保每个组件都发出均匀的光。总而言之，尽可能将多的 LED 串联，然后进一步添加串行电路，直到总光输出达到理想标准。可采用串联配置的 LED 数量取决于几个因素，但主要由输入电压、电子规范和安全标准及 LED 驱动器决定。图 2 、 3 、 4 分别显示三种驱动由九个 1 瓦 LED 组成的照明系统的方法。

LED 配置的优势是可使用单一 LED 驱动器 ( 图 2) ，并可保证流经每个 LED 的电流都相等。缺点则是会导致最高的输出电压，因而需要尺寸更大、价格更高的电路组件及满足安全要求。此外，若其中任何一个 LED 有「开路」的问题，全部的 LED 将无法发光。

图 2 单一串行电路中的九个 LED

图 3 所示的 LED 配置具有更低输出电压和减少触电危险的优势。如果一个 LED 发生故障，其他两个支路会继续工作，这样设计有利也有弊。一方面，一个 LED 发生故障不会使整个灯不亮。另一方面，作为电流源的 LED 驱动器现在必须将更多电流 (1.5×IF) 施加到其他的支路中。这会使 LED 变得过热，而缩短使用寿命。串并联数组的第二个缺点是 LED 不会均等分享驱动电流，除非它们的 VF 相符。这需要由 LED 制造商对其产品分批，因此增加了成本。即使进行 VF 分批，如果在设计时没有为每个 LED 提供均等的散热， LED 中 VF 的负温度系数也会导致支路之间的电流不均衡。

图 33x3 串联 - 并联数组中的九个 LED

图 4 说明一种可提供最大系统稳定性的保守方法，但这种方法的成本最高，并且占用最多空间。采用单独的驱动器可将输出电压保持在较低的水平，毋需 VF 分档，即使两个不同支路的两个 LED 都发生故障，灯仍可保持一些光输出。如果 LED 驱动器是交换式稳压器，三个驱动器 ( 及周围的被动组件 ) 的成本和占用元空间都会过高。

图 4 由三个驱动器驱动的九个 LED

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电流控制是 LED 驱动器关键

在任何情况下，都不能将单个 LED 与 110 伏特或 220 伏特交流 (AC) 电压直接连接；这只能带来瞬间的灿烂且具危险性。直流 (DC) 电源有电池、太阳能电池及燃料电池等多种形式，但对于一般照明， AC 线路电压为最普遍的输入电压。 LED 照明系统的电路须能够输入较高 AC 电压，并输出较低电压的 DC 电流。在不同的国家，潮湿、干燥、密闭或敞开环境，电子规范都有所不同。总体而言，很少有允许输出电压超过 60 伏特 DC 的应用。将 LED 用于一般照明的研究才刚刚起步，标准和规范仍很模糊且时有修改，而利用现有的脱机电源生成中转 DC 总线电压是安全的选择，该电源具有电绝缘和功率因子校正功能，并且符合相应的安全规范。输出电压一般为 12 伏特、 24 伏特和 48 伏特，在过去 3 、 4 年中，各种直流对直流 (DC-DC) 转换器 IC 已投入市场，这些 IC 可馈入通用 DC 电压并向串联的 LED 输出恒电流。

DC-DC 转换器能精确驱动 LED

有些制造商提供完整的 AC 输入、 DC 电流输出驱动器模块，虽然符合绝缘和功率因素校正 (PFC) 要求，但能驱动的 LED 数量和类型有限。 DC-DC 转换器能精确地驱动 LED ，因为它们的输出电流恒定，符合 LED 的需求。要实现 LED 不同配置所需的灵活性，固态照明设计人员必须知道哪些 DC-DC 转换器 IC 可以使用及如何选择最适合应用的组件。

首先， IC 必须能处理所选择的输入电压，并且能在很大的输出电压范围内输出所需的电流。由 n 个 LED 串联起来的系统，需要的总输出电压为： VO=nxVF+VSNS 。在该数列中，「 VSNS 」表示通过一个串联电流传感组件 ( 通常为电阻 ) 的电压降。

对于 VIN-MIN 大于 VO-MAX 的系统，可使用降压稳压器。降压稳压器是以交换式转换器为基础之 LED 驱动器的首选产品，因为它们结构简单、组件数量少、适合恒电流输出及广泛的控制 IC 选择。对于 VO-MIN 大于 VIN-MAX 的系统，应使用升压稳压器。虽然升压稳压器不太适用于 LED 驱动，但它们采用一个单独的传感器和两个电源开关。与降压稳压器相同的是，它们的效率很高，并且在控制 IC 的选择方面是除降压稳压器之外的第二选择。

最后，如果 VIN 和 VO 的范围重叠，则需要降压 - 升压稳压器。这种类型的稳压器应该是电子驱动设计所能采取的最后方法，但由于制程和温度的原因，输入电压范围和误差与 LED 的 VF 误差相结合，通常使照明设计人员不得不做出此困难的选择。降压 -- 升压稳压器倾向于使用更多组件，效率不高，而且比降压稳压器或升压稳压器更难设计。

此外，降压稳压器和升压稳压器各自采用一个基本拓扑，而降压 -- 升压稳压器则采用单个电感反向拓扑 (InvertingTopology) 、 SEPIC 拓扑、 Cuk 拓扑及反驰式 (Flyback) 拓扑 ( 耦合电感 ) 等。选择拓扑实例如下：

采用降压稳压器

以采用六个白色 (InGaN)LED 的小型 LED 灯为例。驱动电流为 1 安培 ±10% ，这是 3 瓦 LED 的标准电流。所有六个 LED 将采用串联配置，查看 LED 数据表之后得出以下正向电压数据： VF-MIN=3.0V ， VF-TYP=3.7V ， VF-MAX=5.0V 。

该 LED 可进行分批而缩小 VF 的范围，但会增加成本，尤其是如果使用的 LED 已根据光通量和 / 或色温进行分批。如果采用整个 VF 范围，输出电压的范围可以是 18 ～ 30 伏特，这样的灯具可销往全球，并且必须在 85 ～ 265 伏特 AC 的通用 AC 输入电压范围内运作；购买标隔离线电源，它会提供一个中转总线电压 (IntermediateBusVoltage)VBUS 。这里需要的是拥有标准输出电压的脱机电源，因为它具有最广泛的产品可以选择，也具最低成本，因此可选的 VBUS 为 12 伏特、 24 伏特或 48 伏特，每个电压都有 ±5% 的误差。 48 伏特是最理想的选择，因为它将提供效率最高但价格却最低的 LED 驱动拓扑 -- 降压驱动器。

此外，脱机转换将比 12 伏特或 24 伏特选择更有效，因为将 AC 电压逐步降低为 48 伏特时，输出电流会更低，转换速率也会更慢。图 5 为降压 LED 驱动器的实例。

图 5 降压 LED 驱动器

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‧ 采用升压稳压器

升压稳压器在可携式应用、电池输入应用中更常见。电感升压稳压器和交换式电容升压稳压器在驱动小型 LED 的背光显示上都取得重大成功，然而本应用属于自行车照明或军用 / 警用手电筒等应用的携带式照明灯。仅由三个 1 瓦的白色 LED 发出， LED 由 350 毫安 ±10% 的电流驱动。如上述的范例，产品数据表规定了以下正向电压限制： VF-MIN=3.0V ， VF-TYP=3.7V ， VF-MAX=5.0V

该灯的输入电压为三颗 1.5 伏特 AA 电池，充满电时每个电池的工作电压为 1.5 伏特，完全放电后的工作电压下降至 0.9 伏特。所有三颗电池都可并联配置，但如此会导致可供驱动器 IC 工作的电压极为有限；因此，这里需要将三颗电池改为串联配置。 VIN 的范围是 2.7 ～ 4.5 伏特， VO-MIN 为 9 伏特，使得电感升压稳压器非常适用。以下为实例电路 ( 图 6) 。

图 6 升压 LED 驱动器

‧ 采用降压 - 升压稳压器

汽车电子系统由于具有广泛的电压范围，因此为 LED 驱动电子组件带来特殊挑战，然而因 LED 的可靠性、使用寿命和发光效率，汽车却是较早采用高功率 LED 的应用之一。汽车尾灯、方向灯及车内照明系统很早就转变为固态照明系统，但由于获得光通量所需的 LED 数量，前照灯 ( 近光、远光、雾灯等 ) 经证明很难采用 LED 照明。此问题是因为所有 LED 会随着晶粒温度的升高而失去光输出，为了解决从极小的区域获得极高光通量 (1,000 流明以上 ) 的难题，除了 LED 制造商外，有几家公司购买了裸片并专门进行封装，生产多晶粒 LED 模块。这种产品在六个串联连接与三个并联串的 LED 中结合十八个晶粒。总驱动电流为 1 安培， VF 的范围为 18 ～ 24 伏特。标准汽车电池和交流发电机系统的工作电压范围是 9 ～ 16 伏特，但通常包括「双电池」测试，也就是要求系统电子组件能在 28 伏特电压下工作 ( 或至少维持 ) 两分钟或更长时间。「负载突降 (LoadDump) 」浪涌 ( 由交流发电机运行时的电池断路所造成 ) 可能超过 100 伏特，但通常固定在约 40 伏特。此一广泛的输入电压范围，使得驱动器不得不降压和升压。单个电感降压 - 升压驱动器 ( 图 7) 比 SEPIC 、 Cuk 或四开关降压 - 升压驱动器需要更少组件。但它的缺点是输出电流是根据 VIN 控制，需要浮动的、微分电流感应完成控制回路。上述电流感应需求可由图 7 的低成本双 PNP 晶体管实现，但是若改用 IC 电流感应放大器，将可获得更高精确度与高性能。

图 7 降压 - 升压驱动器

驱动器特性关键在于控制 / 感应输出电流

几乎所有具有可调节输出电压的 DC-DC 转换器 IC 都可被转成驱动 LED 的电流调节器，但是这个解决方案并不理想。专用的高功率 LED 驱动器应该具备一些其他 DC-DC 转换器所不具备的特性，主要关键在于是否能精确且有效地感应和控制输出电流。不管电阻器在 IC 的内部或外部，电流感应电压 VSNS 必须低，才可将电流感应电阻器中的功耗降至最低。但 VSNS 不能低到影响讯噪比 (SNR) ；它的特殊优势在于这样的 IC 设计允许使用者将 VSNS 调节到与控制电压成比例，让用户可灵活地在效率和 SNR 上采取折衷策略，并且仍可像线性电流调节器一样工作。

LED 的亮度调节是透过脉冲宽度调变 (PWM) 以保持光源的稳定一致或色温稳定。脉冲超过一定的频率 ( 一般为 200Hz) ，人类的眼睛就无法辨别单个脉冲，将 LED 电流保持在一定水平上并同时调节脉冲宽度，感受到的光平均强度就会相对改变。 LED 驱动器 IC 应接受逻辑电平 PWM 讯号，并且能够像高传真双准位放大器 (HighFidELityBi-levelAmplifier) 一样发挥作用，以一个与逻辑讯号相符的控制电流，将脉冲施加到 LED 上。为了保持输出电流对 PWM 讯号的正确性，传播延迟必须降到最低，同时 LED 电流上升和下降的转换速率必须提升到最高。在此毋须使用大多数标准电源控制 IC 的开 / 关接脚 (Enable/ShutdownPin) ，它们通常会造成很大延迟而将关闭电流降到最低，并且有意限制转换速率进行追踪、缓启动和排序。

以降压转换器为基础的 LED 驱动器应该能在没有输出电容器的情况下工作，因为这会将输出电压转换为高阻抗，并且使它们与具有无限大阻抗的理想电流源最为匹配。在没有输出电容的情况下，输出电压可快速转换，这对于快速 PWM 调光是必须的。没有输出电容的降压转换器可以和一个平行调光场效晶体管 (FET) 连接 ( 图 8) ，这种调光方法至少将传播延迟和转换速度降低一级，因为保持连续的电感电流会消除最大的系统延迟。缺点是在 LED 关闭时消耗了一些功率，但输出电压可下降至与 VSNS 相等的准位，从而将损失的功率降到最低；重要的是，降压稳压器是唯一具有并行调光 FET 的交换式稳压器拓扑。

图 8 带有并行 FET 调光的降压 LED 驱动器

LED 驱动器经常暴露于极端的环境温度，这类环境甚至对电源 IC 而言属于极端温度。散热片的高成本、 LED 的促狭空间，都转化为恶劣的散热问题。因此须要将操作温度额定值设定到至少 125 ℃ ，并且采用高功率封装。高功率 LED 通常装在金属核心印刷电路板 (MCPCB) 上，由一个带有用于电子连接的电介质和铜导层的铝基板构成。当将热增益型封装中的驱动器也装在 MCPCB 时，可获得最佳 ( 最低 ) 热电阻。热增益型封装的实例包括无铅针脚框架 (LeadFrame) 封装 ( 中心有一个散热片 ) 以及针脚型封装的占用空间兼容版本 ( 比如 SOIC-8 和 TSSOP-14 ），在其底部有一个散热片。由于铝基板成本极高，因此通常不会将驱动电子组件装在 MCPCB 上。大部分的应用中， LED 驱动器必须克服高温环境及标准 FR4PCB 散热性能降低的问题。

当 LED 直接由交换式稳压器驱动时，最令人担忧的故障是输出开路。一些 LED 驱动器通常具有电流限制，但当输出电流被控制在稳定状态时，最大的担忧是其中一个 LED 发生开路的情形。这是 LED 最常见的故障，它造成回授路径断开，不管是哪种控制类型，结果都是输出电压的大幅上升。降压稳压器还有一个安全问题，即 VO 只能上升到与 VIN 一样高的准位。因为它们的输出电压会上升，升压和降压 - 升压 LED 驱动器必须采取预防措施，直至一个或多个电路组件发生故障。如同稳压器在遇到输出短路时会重置、断续或闭锁 (Latch-off) ， LED 驱动器，特别是升压或降压 -- 升压类型的驱动器，在发生输出开路时应提供自动保护。如图 7 所示，齐纳二极管可用于使输出电压保持在一定范围内。齐纳溃损电压值应设置于稳压器的最大 VO 之上，反向电流设置为 1 毫安，才可在故障状态的持续时间延长的情况下，将功耗降至最小。