LED照明方案：用恒流穩壓器實現高亮度

近些年來，LED領域出現了諸如高亮度LED(HB-LED)這樣的進展，這些技術進展已經很快地應用于汽車、建筑物和街道照明等終端市場。而且，在最新驅動器技術的配合下，高性能LED照明變得比傳統的照明形式更加可靠及高效，在市場上也越來越普及。

但由于缺乏標準化，LED的驅動及控制方式多種多樣。許多應用所使用的方案并未顧及LED的特殊需要。有些方式雖然能夠應對新的認證需要，但并不能提供極佳的系統方案。因此，市場上存在針對特定應用解決方案的機會和需求。

系統方案

安捷倫科技現已退休的科學家Roland Haitz博士曾強調：照明領域——實質上已是整個電子產業發展的一個重點。他說道，“雖然愛迪生只是第38位發明基于燈絲的電燈的人，但他是第1個提供整個照明系統的人。”HB-LED的存在，創造了替代現有多缺點照明技術的巨大機會。然而，與Haitz博士的觀點一致，我們認為需要系統的方案來實現這個理念，即讓HB-LED系統替代燈絲、熒光燈管甚至是鹵素和氙氣照明等傳統照明系統。

固態HB-LED照明系統的主要組件可以簡單地劃分為電源轉換、控制及驅動、熱管理、光學，當然還包括LED本身。沒有完整提供及應用這些組件中任何一個，給定的HB-LED照明系統就不能高效工作。例如，沒有使用透鏡和導光板來對光源對焦(focusing)及處理，就無法符合應用的照明規格。同樣，如果沒有慎重考慮及應對熱管理問題，由于LED接面溫度急升至遠高于組件的最高額定工作溫度，就會嚴重影響系統工作壽命。

HB-LED照明系統中的電壓源會隨著應用類型的差異而不同。對于建筑及樓宇應用而言，我們通常可以預估供電電壓為交流電源。與此同時，戶外照明可能采用交流電源、12V鉛酸電池等未穩壓電源或者太陽能供電。而就汽車應用而言，電源通常是12V電池。

盡管有可能采用電壓源來驅動LED而不使用某種類型的電源轉換，但這并非一個好主意，因為正常的電壓波動會導致LED電流大幅變化。顧及電壓/電流(V/I)曲線極為陡峭以及不同批次LED的正向電壓(通常高于1V)差異較大等因素，使用隔離或非隔離電源轉換段就是非常必要的了。

LED穩流

LED驅動器的主要功能就是限制電流，而不論何種輸入條件及多種工作條件下正向電壓如何變化。驅動器本身以及整體系統方案必須符合應用在能效、電流容限、外形因子、尺寸、成本及安全性等方面的要求。所選擇的方案還必須易于應用及足夠強固，以滿足特定應用的極端環境條件。

設計人員根據其應用的不同細節，可以選擇三種不同的基本穩壓器拓撲結構，它們是：

● 降壓(Buck)—所有工作條件下最小輸入電壓(Vin)都始終大于LED串的最大工作電壓時采用。

圖1 降壓轉換器典型電路圖

● 升壓(Boost)—所有工作條件下最大輸入電壓(Vin)都始終小于LED串最小工作電壓時采用。

圖2 升壓轉換器典型電路圖

● 降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)—輸入與輸出電壓之間有交迭時采用。耦合電感方面的進步使這些方案更易于應用在同等尺寸的降壓或升壓拓撲結構中。一旦掌握，SEPIC拓撲結構就能夠提供比其他常用拓撲結構更多的優勢，也能夠提供更高能效、更小外形及更低成本。

圖3 降壓-升壓轉換器典型電路圖

LED穩流方案的分類

1 電阻

電阻是最簡單、最低成本的穩流方案。在實踐中，它們并不是一種實用的解決方案，因為它們依賴于電池電壓，導致LED亮度變化，能效低和必要的昂貴成本，并且需要耗時耗力的LED編碼。

2 線性穩壓器

線性穩壓器易于設計，能夠提供有效的穩流及過流保護，并且提供外部電流設定點，是一種“中等的”HB-LED系統穩流方案。然而，在當今這個節能意識很強的時代，對于許多裝置，特別是街道照明、建筑物及電池供電應用而言，設計人員可能會認為它們耗電太多及能效低到不可接受。而能效低的線性穩壓器幾乎都會有熱管理問題，這通常需要采用某種形式的散熱片，但會增加整體設計的尺寸及成本。

3 開關穩壓器

開關穩壓器是最昂貴及技術最復雜的LED電流控制方案。它們與線性穩壓器及簡單的電阻穩流方案不同，易受電磁干擾(EMI)影響，為設計人員帶來了另外一項需要克服的挑戰。然而，開關穩壓器能效很高，且能為應用提供亮度控制功能。對于中到大功率方案而言，或者應用需要處理寬輸入電壓范圍，開關穩壓器是唯一可行的選擇。

4 恒流穩壓器

2引腳及3引腳恒流穩壓器（如安森美半導體開發的）能夠提供比線性穩壓器和開關穩壓器更簡單及更低成本的方案，而且比電阻方案更具性能優勢。2引腳組件提供固定輸出，而3引腳版本提供采用簡單的外部電阻來設定輸出的功能。其輸出電流值介于20～150mA之間，最大工作電壓為45V，確保能夠承受電池負載突降電壓。

圖4 恒流穩壓器典型電路圖

使用恒流穩壓器就像使用線性及開關穩壓器一樣，確保在它們支持的寬LED電壓范圍下提供恒定亮度。它們還保護LED在較高輸入電壓時免受過驅動影響，并大幅降低或完全消除成本高昂、問題很多的LED庫存編碼問題。達40V的寬輸入電壓范圍支持多種應用條件下的工作，承受相關的供電電壓波動。恒流穩壓器可以配置為降壓、升壓或SEPIC拓撲結構。如果驅動的LED串的電流高于單個恒流穩壓器能夠支持的范圍，就可以并聯這些組件來提供解決方案。

LED發射的光與其平均輸出電流成正比。恒流穩壓器還能控制這個電流，提供額外的光輸出調節功能。可以采用模擬調光或數字脈沖調變技術來提供調光功能。模擬調光方案結合輸入PWM信號及反饋電壓，從而降低平均輸出電流。數字調光方案使用輸入PWM信號來抑制穩壓器的開關，并降低平均輸出電流。典型調光頻率為200～1000Hz，因為人眼不能看清高于200Hz頻率時的細微變化，但可察覺低于這個頻率時的細微變化。

結語

HB-LED有潛能成為多種多樣照明應用的主力軍。將HB-LED照明與其他照明技術相比時，電源能效、長壽命及設計多樣性僅是我們正面平價的一部分。隨著特定用途恒流穩壓器的發展，更佳的多用途(all-round)系統方案將會誕生。