高亮度LED户外照明新潮及其驱动器技术

1前言
当今面世的新技术高亮度(HB)白光LED使LED能够达到1W的水平。由于效率方面的明显改进，HB-LED正被迅速用于多种照明应用：交通信号灯、平面显示设备的背景照明装置、闪光灯与家庭照明。而对汽车应用来说，LED亦有极大的吸引力，长寿命、抗震、高效、对光源良好的控制能力都是它的优势。从节能的角度来讲，尤其是户外照明技术中更为突显，并且在照明实业化上发展很广。据此,本文将对高亮度白光LED在取代金卤荧光灯、超大屏幕和太阳能lED路灯及大功率LED在城市照明等方面的新潮应用作分析。
在此，首先分析究竟是什么原因引起高功率LED如此红火。以下几个因素可能是使人们对此颇受青睐的原因。
⑴　在提高能源效率上大有作为
高功率LED极为节约能源，而且与比其它技术相比，LED每W电发出更高的亮度。例如普通高功率LED每W可以提供80lm，而节能灯(CFL)可以提供每W70lm，普通白炽灯每W只能提供15lm。特殊高功率LED耗能在1W到1OW之间。与40W的低功率家用灯泡和60W的普通白炽灯耗能相比，它的耗能是相当低的。
⑵　LED光源的技术日趋成熟
每W发光lm迅速增长，高功率LED的光输出已经实现了具有重要里程碑意义的100lm／W，有的制造商甚至声称其LED的光输出达到了120lm／W。这意味着，就能量效率而言，LED如今已经超越了节能灯CFL。预测，到2012年，LED的光输出将达到150lm／W。
⑶　更好的照明效果是众望所归
通常显色的强度是从1到100，当LED显色的强度到达100时，LED与阳光在视觉光谱上完全一样。好的显色指数(CRI)通常都是在90以上，而许多节能灯泡的显色指数在75到90之间，白炽灯的CRI可以达到100。但LED的CRI现在达到90或90以上。正是因为技术的进步，不论是白色还是彩色高功率LED的显色指数都很高，大大提高了高功率LED亮度的品质。反之，若显色指数下降到低于80的时候，在这种光下看到东西的颜色与真实的颜色不一致甚至有很大差距。既然高功率LED如此火爆，为此将对其在新潮的户外照明实业化应用上作例举说明。
2高功率LED在照明实业化上的应用例举
2.1取代传统的金卤荧光灯及其在超大屏幕等方面的应用
⑴在太阳能街道照明系统的光源方面的应用
LED正在取代传统的荧光灯和高强度气体放电灯(HID)。HID包括金属卤化物灯(简称“金卤灯”)、高/低压钠灯和水银蒸气灯等多种类型，其中凭借着相对较高的发光效率，金属卤化物灯应用得更为普遍。如今，随着LED性能的快速提升，它在替代金卤灯方面显示出了更大潜力，要提供同等的光输出，所使用的LED数量将会更少，从而提供LED的经济适用性。以100W金卤灯为例，其平均光输出流明数为3500lm，所以LED将具有越来越大的经济适用优势。为了适应LED在性能上快速提升的趋势，必须采用如模块化等设计技术。所谓模块化设计技术是在光输出等方面性能的持续提升，要提供相同的总光能输出，就可以使用更少的LED光条，从而降低需要使用的LED的成本。图1为LED模块化途径替代卤灯光源示意图。

图1LED模块化途径替代卤灯光源示意图
⑵LED模块化在超大屏幕上的应用
如今在霓虹灯行业有很多高功率LED的应用方案。除显示墙图片外，还有超大屏幕（见图2所示）、应急照明、出口处照明、广告牌、装饰或者建筑照明。

图2高功率LED作为超大屏幕的应用示意图
2.2太阳能LED路灯应用与实现技术
与现有的白炽灯、荧光灯、节能灯、和高压钠灯相比，LED光源具有6大明显的优点，包括：使用寿命长(使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上)、节能省电(比相同照明效果传统光源节能80％以上)、应用简单方便、使用成本低、坚固和环保(无辐射，废弃物可回收，不含汞元素)，因而使得它在当今讲究节能环保的经济形势下成为了一个非常吸引人的选择。正因为如此，它为太阳能照明的应用拓宽了又一渠道：即把太阳能照明最佳的实现方法是和发光器件结合在一起，以构成独立的照明装置。目前，最有前景的是太阳能LED路灯的经济价值最高，因为普通的路灯需要铺设很长的输电线路，而且随着距离的增加，电压会逐渐降低，经过一定距离还要用变压器升压。其电源线路的铺设要投入很高的费用。而太阳能路灯则不然，因为每一根路灯杆都是独立的，不需要铺设输电线路，这就大大降低了架设的费用，而且LED的发光效率远高于白织灯。
⑴太阳能路灯的构成
不管是那一种太阳能路灯，都是由5个部分组成：太阳能电池、蓄电池、控制装置、LED、LED的驱动芯片。通常太阳能电池板挂在高杆上，充放电控制器和铅蓄电池放在地面的控制箱内，驱动芯片和LED都装在灯头里。其示意图如图3所示。

图3太阳能路灯的构成示意框图
但是由于充放电控制器只能对蓄电池的充放电过程的控制和定时(或光控)向LED供电，并不能稳定其输出电压。这就是太阳能灯具所面临的重要挑战，如何应对是问题的关键，需要解决LED恒流驱动问题。
⑶LED恒流驱动的应用
由上述可知，作为一种光源，因为LED的最大缺点就是它的发光不稳定，很容易受到电压与温度的影响。而且，它对电压和温度的灵敏度还很高。所以一定要采用恒流驱动来克服它的发光不稳定。比较有效的办法是采用恒流驱动IC来稳定LED的正向电流。采用—个集成电路（如太阳能升压驱动芯片PAM2842与内置8／16通道线性LED驱动器的PWM控制器）来控制LED的电流，使其不论在电池电压降低或是环境温度升高时都能保持正向电流恒定。在此仅对内置8／16通道线性LED驱动器的PWM控制器应用作分析。
以MAX16807-MAX16810为例，它可提供92％的效率和高达5000：1的亮度调节范围，是完全集成的开关模式线性LED驱动器，适用于LCD的RGB或白光LED背光、抬头显示系统和高亮度照明应用等。该芯片上开关模式控制器为LED阵列提供电压。通过各路集成线性输出(恒流吸人型)实现LED阵列中每一列的恒流控制。对于通常需要开关模式LED驱动器和众多分立元件的应用来说，MAXl6807-MAXl6810提供具有成本效益的背光照明方案。在这类应用中采用该系列器件，不必再担忧LED电流精度和通道匹配问题，并可极大地减少元件数量和节省电路板空间。这些驱动器除了在太阳能路灯应用外，也是LCD电视、PC监视器、汽车、工业和医疗设备LCD中LED背光照明的最佳选择。图4为内置8／16通道线性LED驱动器的PWM控制器MAX16807-MAX16810应用示意图。从图中可知：它是Boost或BUck-boost(SEPIC)预调节器（电感线圈L是一组件），能为LED阵列提供经过优化的电压；PWM是独立工作或配合微控制器工作，可同时调光和/或单独控制每个通道，其高达30kHz的调光频率；通过单个电阻RSET设置LED电流，其每一列电流高达55mA；可并联输出提供更大电流，通道间的电流匹配精度达3％；具有独立的闭环电流控制，是40VouT引脚额定电压。因此，它更是在LCD中的WLED或RGBLED背光照明的理想之用。

图4内置8／16通道线性LED驱动器的PWM控制器应用示意
⑷太阳能路灯构成的一个新方案
该方案是将图3太阳能路灯构成中省去LED恒流驱动模块。直接由多功能充电控制器来控制LED灯具。因为其中的充电控制器功能大大增加，它能用于保护电池免受过充或欠充影响，并防止反向电流。PWM型控制器会控制对电池充电的电量，并可实现细流充电，从而保护电池并延长使用寿命。最新支持最大峰值功率追踪(MPPT)功能的控制器能对太阳能电池不断变化的V/I特性曲线提供补偿，优化太阳能电池的功率输出，提高能效，并使蓄电池充电至优化电量。该方案中充电控制器是太阳能路灯的核心，据此可选择用CS51221增强型电压模式PWM控制器为充电控制器。
⑸太阳能路灯的具体应用实例
如图5所示，它是一个内装24颗3W的LED灯具，其安装高度为4．6m左右。

图5内装24颗3W的LED灯具示意图
2.3大功率LED在城市照明中的应用
所谓大功率LED是具有世界最高亮度(即外量子效率)的芯片(如科锐公司大功率LEDXLamp芯片)，其具有的先进技术指标为：如蓝光479nm在350mA下输出可达42lm以上的指标；白光产品具有冷百色域内典型350mA下输出可达114lm以上的指标。为此，大功率LED在城市照明上具有独特之优势：全白色范围，先进的输出通量和发光效率，又有色点稳定性好、光照均匀及长寿命等特点。例如在路灯中的应用，其大功率LEDXLampXR—E型具有1001m／W级的发光效率，只要使用少于100颗的XR-LED就可以取代传统路灯光源，使LED照明在路灯中的应用更加完美，如图5所示。

图6大功率LED在城市照明中的应用示意图
图6的特点：A区为近区域使用裸的LED器件，B中间区域使用带椭圆透镜的LED，c区最远的区城使用带平行光透镜的LED。
3高亮度白光LED需要高性能驱动器的支撑
高亮度白光LED正在迅速取代白炽灯照明。然而为了确保最佳性能和长工作寿命，LED需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须能够靠一个精确稳定的电源轨工作，对电流和温度进行限制。无论输入电压如何变化，LED驱动器都要向LED串/并提供恒定电流，以保持恒定光输出和颜色不变。出于这个原因，常常需要恒定频率电流模式LED驱动器拓扑。与电压模式控制相比，电流模式控制改善了环路动态特性并提供逐周期限流，从而向LED提供恒定电流。最后，LED驱动器必须提供高于90％的效率，以最大限度减少对外部散热器的需求并保持照明系统的高效率。当今作为新型的高亮度LED驱动器的芯片已不断在市场上问世。值此，对高性能驱动器的支撑用几个典例作说明。
3.1工作在升压模式的单LED驱动器IC应用
工作在升压模式的单LED驱动器IC(凌力尔特公司)，所驱动的是—个典型50WLED串。其LT3755型芯片是一个60V、高端电流检测DC／DC转换器，用来驱动大电流LED。4.5V—40V的输入电压范围使其非常适用于多种应用，包括工业和建筑照明。LT3755使用一个外部N沟道MOSFET，可以用标称12V输入驱动多达14个白光LED，从而提供超过50W的功率。用一个24V输入，它可以为多达20个LED供电，从而提供总共75W的LED功率。图7为工作在升压模式的LT3755型LED驱动器引脚与功能图。

图7工作在升压模式的LT3755型LED驱动器引脚与功能图
LT3755采用高端电流检测，从而使其能够在升压、降压，降压—升压或SEPIC和反激式拓扑中使用。在这个例子中，LT3755用于升压模式，可以提供超过94％的效率，从而无需任何散热器并最大限度减轻了对热量问题的担忧，采用LT375550WLED升压电路的效率和VIN的关系如图7所示。一个频率调节引脚允许用户在100kHz-1MHz的范围内对频率编程，从而优化了效率，同时最大限度地减小了外部组件尺寸和成本。加之3mmx3mmQFN封装，LT3755提供一个非常紧凑的50W-75WLED驱动器解决方案。
LT3755使用TrueColorPWM调光，以高达3000：1的调光范围提供恒定LED颜色。就要求较低的调光需求而言，CTRL引脚可以用来提供10：1的模拟调光范围。其固定频率、电流模式架构在宽电源和输入电压范围内提供稳定工作。一个以地为基准电压的FB引脚用作几个LED保护功能的输入，从而使该转换器能够作为恒定电压源工作。
图7中的设计可以用在多种不同的配置中。LED在50W聚光灯配置中可排列成单个阵列，以取代一个125W的荧光灯或高压钠灯，全部相当于一个500W光输出、散热百分数非常小的卤素灯。除了节能，由LT3755驱动的LED还堤供即时接通功能、颜色纯净得多的光，以及能够快速和准确地对LED调光。或者，也可以将多达14个4W的LED配置为活动式投射灯，每个灯都能以同样或更好的光颜色提供相当于一个40W卤素灯的光输出，同时降低了非常热的卤素灯所固有的火灾风险。类似地，LED还可以取代几个荧光灯。
3.2超小型高亮度LED驱动器可简化照明设计
40V、350mA、TQFN封装的LED驱动器MAX16803，比TO-263封装节省83％的电路板空间。其MAX16803是一款可调恒流源，可为一列或多列高亮度LED(HBLED)提供高达350mA的驱动电流．最高40V的宽输入电压范围允许串联数目较多的LED。MAX16803理想用于电视、车载和计算机显示器中的白光和RGBLED背光驱动。该调节器集200mV、低压电流检测基准与差分LED电流检测技术于一身，可提供±3.5％的负载电流精度。这种电流精度能提供均匀的亮度。该器件提供低压差调整元件(0.5V，典型值)和低压电流检测基准，可使系统功耗降至最低。通过专门的亮度调节输入实现LED电流的PWM调节功能，从而对亮度进行调整。波形整形电路产生平缓的LED电流上升沿和下降沿具有相同的持续时间，进而降低开、关瞬态的EMI。图8为用Max16803LED驱动器简化照明示意图。

图8用Max16803LED驱动器简化设计示意图
该设计的特征：高达45V的甩负载保护IN、EH和DIM，宽PWM亮度调节范围，利用RSENS调节LED电流，+5V调节器给微控制器供电。
主要功能：利用外部BJT(双极结晶体管)可提供高达2A的LED电流；±3.5％的LED电流精度；波形整形控制大为降低PWM亮度调节过程中的EMI；200mV低压电流检测基准可极大地降低功耗；工作电压可低至+5V，适合汽车冷启动；具有短路保护与热关断；可工作于-40℃至+125℃温度范围。可理想用于汽车内部和外部LED照明、重点和建筑LED照明及信号标志和LED立体发光字。
3.3基于微控制器的驱动解决方案可为照明系统设计带来更大的灵活性
除上述高亮度LED驱动器之外，基于微控制器(MCU)的驱动解决方案可为照明系统设计带来更大的灵活性。也就是说，除了普通照明以外，这种控制器还能为最终应用提供足够的处理功能以支持额外的特性。因此，它具有较大的吸引力。基于微控制器的驱动解决方案设计的优点是：灯光亮度调节和闪烁可以通过MCU软件轻松实现，而无需向系统中增装其它组件；不同功率或不同品牌的HB-LED具有不同的特征，MCU可以通过软件编程以满足不同的驱动要求。在这种情况下，照明设备制造商可以减少库存的类型，进而简化物流处理工作；许多MCU具有芯片闪存，可以用于应用中的数据存储。例如，在实施灯光亮度控制功能时，芯片闪存可用于保存亮度级别，每次打开灯光时可以自动恢复上一次的亮度级别。除照明外，MCU还可以处理几种功能，如不同类型的连接标准(如Zigbee、RS-232和LIN等)亦可以通过MCU芯片模块轻松实施。其用于HB-LED照明的MC9RS08KA2系统就是一典例。MC9RS08KA2也支持8引脚封装，不带芯片ADC，但包括ACMP，这对HB-LED应用来说也已经足够了。图8是基于MC9RS08KA2的简单降压变换器系统示意图。在很多情况下，应用电源电压ViN与MCU的电源电压不同。有时需要使用特定的电压调节器(可以是一个简单的接地齐纳二极管)将Vin降低到MCU操作范围VDD。此外还需要电平转换器，使MCU能够拨动电压高于MCUVDD的高端开关SWl。PTA4与PTA5为MC9RS08KA2通用输出端。MC9RS08KA2的简单降压变换器系统除具有HB-LED照明外，可以通过软件流程实现亮度控制、电源电压补偿等灵活功能。

图9基于微控制器的上照明驱动方案示意图
4　结语：拓宽与前景
高功率LED照明用的显著优势成为越来越多人的选择。从应用的角度来看，小于25W的LED照明应用将逐渐渗透到便携式手持产品(如PMP和MID)、阅读台灯、餐灯、床头灯、标志灯、装饰灯、格栅仃、汽车尾灯、汽车近光灯、汽车转弯灯，甚至汽车信息娱乐显示器。25W~100W的LED照明应用可在汽车前照灯、办公室照明和建筑照明用途中找到用武之地。100W以上的LED照明应用将在大屏幕LCD-TV、高速公路、大型广场、电视墙和工业照明中得到广泛普及。
需要特别指出是，在应用上最近三原色(RGB)LED的改进，显著改善了白色及彩色LED宇幕。红绿蓝(RGB)LED把红、绿、蓝三种颜色的芯片封装在一起，能够发出不同颜色的光。以前RGBLED发出的混色光非常不稳定，而高功率LED驱动器成功解决了这一技术难题。最近，高功率的RGBLED比其它照明的灵活性更高。LED系统结构紧凑，可以和传感器、其它照明控制器如调光器、日光控制器及动态光调节器连在一起使用。与此同时，人们还会把高功率LED应用到传感器技术上实现自动开启功能及红外线LED技术领域，到时夜视系统将大大改善。■