| 引言
在本文中，我想談一談 LED，例如為什么 LED 燈將成為首選照明源、怎樣為 LED 燈供電以及怎樣保護 LED 燈免受各自解決方案中有害因素的影響。LED 照明應(yīng)用包括高頂燈照明、建筑照明、室外路燈照明、以及甚至用來取代 75W 白熾燈。
不過我認為，為慎重起見，在我們開始探討這些有關(guān) LED 的問題之前，應(yīng)該先考慮幾個基本問題：
- 究竟為什么使用 LED 燈? LED 照明成本是白熾燈的 13 倍，那么哪些優(yōu)勢使 LED 照明如此富有吸引力?
- LED 燈需要用什么系統(tǒng)供電? 事情可不是將一個 LED 燈擰到現(xiàn)有白熾燈燈具中那么簡單。那么，正確安裝 LED 燈并為其供電必須達到哪些要求?
- 哪些因素對 LED 燈以及 LED 驅(qū)動器電路有負面影響?
LED 需要什么?
與白熾燈不同，LED 燈不是“加熱器”，白熾燈本質(zhì)上是個電阻器，LED 本質(zhì)上則是個二極管。因此，LED 需要相對嚴格的穩(wěn)定電流和電壓，這一般由 LED 燈驅(qū)動器電路提供。不過這種電路容易出現(xiàn)開路或短路情況，因此設(shè)計時必須小心，以防止這類情況的發(fā)生。另外高溫對 LED 燈的可用光輸出也有負面影響，因此設(shè)計 LED 驅(qū)動器電路及電路安裝方法時也要小心。
白熾燈可以直接接受 AC 電源電壓，與此不同，LED 需要穩(wěn)定的 DC 電壓和電流。因此，視電源不同而不同，可能需要 AC 至 DC 轉(zhuǎn)換。無論何時，只要發(fā)生轉(zhuǎn)換，事情就總是有可能出錯。在很多情況下，這類故障可能有損于甚至毀掉 LED 驅(qū)動器電路，而沒有了驅(qū)動器電路，LED 本身不可能發(fā)光！因此，必須提供能夠防止這類故障發(fā)生的 LED 驅(qū)動器電路。所以， 本身納入 LED 保護功能的驅(qū)動器是非常有用的。本文稍后將提供一些內(nèi)置保護功能的 LED 驅(qū)動器 IC 的例子，用這些驅(qū)動器 IC，LED 燈可以獲得很長的使用壽命。
LED 及其他解決方案
表 1 顯示了對 LED、CFL 及白熾燈的比較結(jié)果。表中突顯部分有助于您快速識別相應(yīng)光源特性的好處和優(yōu)勢。
正如表中所示，LED 燈的主要特點之一是高效率。當光輸出為每瓦 80 流明時，LED 燈的電源效率至少是白熾燈的 8 倍�；蛘邠Q一種說法，LED 燈僅用相當于白熾燈 1/8 的電功率，就可提供同樣的光輸出。這等于在整個使用期內(nèi)節(jié)省了能耗成本。現(xiàn)在看一下表中所列的壽命，可以看到，LED 燈的使用壽命至少是白熾燈的 50 倍。因此，到一定時間，LED 燈較高的初始成本就由其能耗成本的降低抵消了。為說明方便，假定只替換普通家庭中 5 個最常用的照明燈，那么在不到一年時間內(nèi)，能耗成本降低就可以抵消較高的初始成本。當然，使用 LED 燈還有其他一些好處，例如 LED 燈不含有害材料并且沒有故障模式 (如電源設(shè)計能夠正確地為 LED 燈供電并提供保護) 。
表 1：LED、CFL和白熾燈光源比較
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光源特性
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LED
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CFL
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白熾燈
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效率 (流明/瓦)
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80 至 180
未來 >200
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40 至 70
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10 至 15
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所用電量 (單位：瓦)
(等效于 60W 燈)
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8 - 10
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13 - 15
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60
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壽命 (小時)
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>50K
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2K 至 10K
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1K 至 2K
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驅(qū)動器電源
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DC
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AC
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離線式 AC
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TRIAC 可調(diào)光
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是
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否
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是
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即時接通
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是
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否
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是
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功率因數(shù)
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無 PFC 時為 0.5
有 PFC 時 >0.90
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0.5
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1
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對電源周期敏感
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否
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是
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是
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含有害的水銀
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否
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是
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否
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故障模式
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無
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有，可能著火、冒煙
或發(fā)出異味
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有一些
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60W (或等效) 燈的價格
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13 美元
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3 美元
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1 美元
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LED 的維護和供電
正如已經(jīng)提到的那樣，LED 在電特性上相當于二極管。因此，LED 是一種電流驅(qū)動器件。只要給 LED 提供合適的電流，就可以使 LED 提供規(guī)定的光輸出。相應(yīng)地，提供較小的電流會限制 LED 提供的光輸出量。對于單個 LED 而言，這也許不是什么大事。但是，如果由很多 LED 串聯(lián)形成 LED 串，而且這些 LED 的電流大小不一致，那么光輸出就會有很大和非常明顯的變化。
當然，還必須克服 LED 固有的正向壓降，該壓降視所用 LED 類型以及燈具系統(tǒng)最終配置的不同而有所分別。對于一個典型的白光 LED 而言，這一正向壓降通常為 3.5V 左右，不過當溫度升高時，會變得略高一些。因此，視輸入電源的不同而不同，可能需要多種轉(zhuǎn)換拓撲。LED 串有各種不同的配置，包括串聯(lián) (LED 正向壓降相加)、并聯(lián) (LED 電流相加) 或串并聯(lián)組合 (LED 正向壓降及其電流都相加)，這使問題進一步復(fù)雜化了。
到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)談到了 LED 正確工作需要哪些保證，但是哪些事情可能對 LED 及其驅(qū)動器電路的工作產(chǎn)生負面影響? 答案是，很多事情都可能對 LED 輸出產(chǎn)生負面影響，甚至使 LED 發(fā)生災(zāi)難性故障。這些事情包括：過壓，通常在 LED 開路時發(fā)生；過流，通常在短路或重新插入 LED 串時發(fā)生。當然，如前面所述，熱環(huán)境不佳也可能對 LED 的使用壽命造成負面影響，因此良好的整體熱設(shè)計也是至關(guān)重要的。此外，為防遺忘，這里再強調(diào)一次，LED 驅(qū)動器電路也很重要，因此設(shè)計該電路時同樣需要小心謹慎，以使該電路能夠保護自己、保護 LED，避免受到開路、短路和熱環(huán)境欠佳的影響。但所有的這些問題，在大多數(shù)汽車、航空電子和工業(yè)環(huán)境中是很常見。
給 LED 供電的關(guān)鍵是正確提供嚴格調(diào)節(jié)的電流。正是在這里，LED 驅(qū)動器電路發(fā)揮了關(guān)鍵作用，因為無論輸入電源是什么樣的 (輸入電源變化范圍會很大，因為應(yīng)用的范圍很廣)，驅(qū)動器電路都必須接受，并將其轉(zhuǎn)換為使 LED 性能最優(yōu)化所需的電壓和電流。因為隨時間變化，過壓或過流可能對 LED 壽命或其光輸出產(chǎn)生負面影響，所以電壓和電流的調(diào)節(jié)越嚴格，系統(tǒng)就越堅固。因此，提供 ±5% 的電壓和電流調(diào)節(jié)對無故障地實現(xiàn)長的工作壽命而言是很有益處。
另一個關(guān)鍵標準是提供過壓保護。因此，先決條件是，LED 驅(qū)動器電路能夠應(yīng)對高于正常工作所要求的較高瞬態(tài)電壓情況。一個很有說服力的例子是汽車環(huán)境，這種環(huán)境中的負載突降可能達到 42V，或甚至更高。
保護 LED 免受過熱影響更加富有挑戰(zhàn)性。LED 燈具常常很小、很緊湊，幾乎沒什么散熱途徑，而且可能沒有風扇增加空氣流動，提供冷卻。因此大部分熱量不得不通過傳導來散出。這樣一來，在設(shè)計階段必須考慮良好的散熱。此外，LED 驅(qū)動器電路若能以非常高的轉(zhuǎn)換效率工作也會非常有幫助，因為轉(zhuǎn)換效率越高，以轉(zhuǎn)換功耗形式產(chǎn)生的熱量越少。因此，具備 90% 以上效率的 LED 驅(qū)動器對于良好的熱設(shè)計是極有幫助。
另一種有助于減少熱量的有趣方式是，在 LED 驅(qū)動器電路上采用一個內(nèi)置溫度傳感器，這樣一來，如果有一個系統(tǒng)微控制器監(jiān)視這個溫度信號，那么就可以在需要時停止整個系統(tǒng)運行，以降低電流，產(chǎn)生較少熱量。當然，這么做的代價是降低了光輸出，但是這總好于讓整個系統(tǒng)發(fā)生故障。一旦故障情況消失，就可以恢復(fù)正常運行。
當然，老話說得好，適用于此者亦適用于彼。因此，以上探討針對 LED 的實用方法推廣開來，同樣也適用于 LED 驅(qū)動器電路。而將這些方法納入整個系統(tǒng)中，是一個非常好的想法。
LED 驅(qū)動器解決方案
既然我們已經(jīng)探討了給 LED 供電需要達到哪些要求，必須采取哪些措施保護 LED，才能使 LED 保持很長的壽命和不出現(xiàn)故障，那么我想再花一些時間，展示幾款 LED 驅(qū)動器 IC，這些 IC 整合了很多上述保護機制。
第一個例子是 LT3795，這是一款基于升壓型拓撲的 LED 驅(qū)動器，該驅(qū)動器還提供一些特殊功能以提高性能。第一種特殊功能稱為擴展頻譜頻率調(diào)制，這種調(diào)制方法可為系統(tǒng)時鐘引入高頻抖動以降低噪聲層。第二種特殊功能是短路保護。與降壓型轉(zhuǎn)換器不同，面向升壓型轉(zhuǎn)換器的短路保護并不容易實現(xiàn)。對降壓型轉(zhuǎn)換器而言，由于其降壓型拓撲以及 VIN 與 VOUT 之間的開關(guān)，所以短路保護功能是固有的。對于一個升壓型轉(zhuǎn)換器而言，要提供短路保護，必須在 LED 串上方增加一個斷接 FET，如圖 2 中的 M2 所示。這種 P 溝道 MOSFET 為監(jiān)視流經(jīng)其自身的電流創(chuàng)造了條件，因為如果發(fā)生短路，流經(jīng) M2 的電流就會迅速升高。這有可能毀壞下游 LED 串中的 LED。為了防止毀壞情況發(fā)生，我們必須監(jiān)視 LED 的電流，電流監(jiān)視可用 LED 上方的檢測電阻 RLED 實現(xiàn)。因此，當發(fā)生短路時，為了保護 LED，M2 必須迅速斷開。盡管迅速斷開并不容易實現(xiàn)，因為必須在不到 1us 的時間內(nèi)完成，但是 LT3795 做到了，如圖 1 所示。
圖 1：LT3795 的短路電流示波圖
在圖 1 中，上部的曲線是流經(jīng) LED 串的電流，中部的曲線是流經(jīng) P-MOS 的電流。底部的曲線代表軌之間的瞬態(tài)短路狀態(tài)。正如圖中所示，LT3795 斷開 P-FET，其電流僅在 500ns 時間內(nèi)即上升至 12A 峰值，從而保護了 LED 串發(fā)生過流情況。如果沒有這么迅速的響應(yīng)，該電流可能上升至高達 50A。
圖 2：具輸入限流及擴展頻譜頻率調(diào)制的 LT3795 升壓型 LED 驅(qū)動器
第二個想要展示的 LED 驅(qū)動器 IC 是 LT3797。這是一款多拓撲三輸出 LED 驅(qū)動器，具集成的軌至軌電流檢測放大器，電壓范圍為 0V 至 100V。這 3 個通道每一個的工作模式都可以配置為降壓型、升壓型或 SEPIC，輸出之間都可以自主運行。
這款 IC 增加了幾項功能以提供額外的系統(tǒng)保護，顯然，保護功能之一是，通道以升壓模式工作時的短路保護。然而，該 IC 還納入了開路 LED 保護，這是由 FBH 電壓反饋引腳提供的。LT3797 具 2.5V 至 40V 寬輸入范圍，非常適合工業(yè)、航空電子、醫(yī)療及汽車 LED 照明應(yīng)用。此外，因為該 IC 是一款控制器，所以可提供數(shù)安培的電流范圍。
圖 3 顯示了配置為三輸出升壓型 LED 驅(qū)動器的 LT3797，3 個通道的每一個都是升壓型控制器。正如圖中所示，每個 LED 串上方都放置了 P-MOS MOSFET 和檢測電阻器。因此，像 LT3795 一樣，當發(fā)生短路情況時，該 IC 可以迅速斷接 LED 串，防止 LED 串被損壞。
與 LT3795 的另一個類似之處是，LT3797 允許打嗝模式閉鎖以重啟各個通道。通過增加或去掉 VREF 與 SS 引腳之間的 R13，可以非常容易地設(shè)定短路保護模式的重啟。
圖 3：配置為 3 輸出升壓型 LED 驅(qū)動器的 LT3797
結(jié)論
希望您愉快地度過了這次 “怎樣給 LED 燈及其驅(qū)動器電路供電并提供保護” 的旅程。正如本文所示，設(shè)計一個完整系統(tǒng)時，有很多因素需要考慮，包括電壓、電流及熱量限制。不過，已有一些 IC 可以減輕設(shè)計負擔，為滿足設(shè)計需求提供了方便，同時優(yōu)化了所有性能參數(shù)。 |
