标签: 照明应用

LED驱动器IC可为众多照明应用的发展起到引领作用 凌力尔特公司电源产品部, 产品市场总监, Tony Armstrong 在过去几年，LED 市场已经出现了大幅增长。随着散热、封装和工艺方面取得的进步，已经实现了更高的亮度、更高的效率、更长的寿命和更低的成本。与白炽灯泡不同，LED 没有会烧断的灯丝，而且它们的工作温度往往较低。此外，白炽灯泡还将 90% 的电能以热量的形式白白浪费掉了。顺便说一句，白炽灯泡的照明灯具设计之所以更像是散热器 (而不是用于散播所产生之光线的外罩)，其原因就在于此。 大功率或高亮度 (HB) LED 的光输出已经超过了每瓦 100 流明 (即 100 lm/W) 这一具有里程碑意义的关键数值。实际上，有些制造商声称，已经在实验室中实现了 200 lm/W 的光输出。那么显然，在发光效率方面，LED 已经超过了白炽灯 (典型的 60W 白炽灯光输出大约为 14 lm/W)。或者换一种说法，一个光源的光输出量 (用流明来衡量) 与产生该光输出所消耗的功率 (以瓦来衡量) 之比。即便如此，人们仍然预计，在未来一年，具 150 lm/W 光输出的 LED 将能在市面上方便地买到。另一个好处是 LED 的寿命。视计算方式的不同，一个白光 LED 灯至少有三万五千小时的寿命，有些甚至声称能长达 10 万小时，而白炽灯的寿命大约为 1000 小时。为了正确理解这一点，来做一下如下计算，如果你每天使用一个 LED 灯 10 小时，那么该 LED 灯应该能持续使用 9 年半时间，与标准白炽灯可怜的 1/3 年大相径庭！ 高亮度 LED 照明的成本也已经非常迅速地下降了。过去几年，单个白光二极管的价格已经下降，今天价格已经不到 1 美元了，一个 LED 灯中有几个这样的二极管，这些二极管的成本占 LED 灯成本的大部分。很多 LED 行业分析师预测，今年，取代白炽灯的 LED 灯的价格将达到消费者可接受的程度。有些 LED 制造商宣布，已经设计出了一些发光芯片，能使 LED 灯产生与大多数家庭中常见的 75W 白炽灯相媲美的光输出。这类 LED 芯片通常仅需要大约 9W 功率，就能产生同样的光输出量。与光输出量相同的白炽灯相比，9W 功率连其 1/8 都不到。不过，很少有人认识到，这些效率超乎寻常的 LED 灯的关键之处是，在 LED 灯内驱动 LED 所需的电路。令人难以置信的是，这种电路的核心是模拟 LED 驱动器 IC。 今天，LED 驱动器 IC 必须具有的一个主要的性能特点是能充分地对 LED 调光。既然 LED 是用恒定电流驱动的，且 DC 电流值与 LED 亮度成正比，那么要通过控制 LED 电流来改变 LED 亮度，就有两种调光方法。第一种方法是模拟调光，采用这种方法时，LED DC 电流值随恒定 LED 电流值的降低成正比降低。降低 LED 电流可能引起 LED 色彩的变化，或者 LED 电流控制不准确。第二种方法是数字或脉冲宽度调制 (PWM) 调光。PWM 调光以等于或高于 100Hz 的频率接通和断开 LED，以这种频率切换，人眼是察觉不到的。PWM 调光的占空比与 LED 亮度成正比，而在接通时 LED 电流保持相同的值 (如 LED 驱动器 IC 所设定)，从而在高调光比时保持了恒定不变的 LED 色彩。这种 PWM 调光方法在某些应用中使用时，能实现高达 30,000:1 的调光比。 尤其在驱动高亮度 LED 的情况下，LED 驱动器 IC 必须凭借既满足输入电压范围又满足所需的输出电压及电流要求的转换拓扑，为很多不同类型的 LED 配置提供充足的电流和电压。一个值得注意的例外是离线式 LED 应用，理想情况下，高亮度 LED 驱动器 IC 应该具有以下特点： A. 宽输入电压范围  ─  高达 100V B. 宽输出电压范围  ─  高达 100V C. 高效率转换  ─  高达 98% D. 严格调节的 LED 电流匹配  ─  随温度变化不到 5% E. 低噪声、恒定频率工作  ─  高达 2.5MHz F. 独立的电流和调光控制 G. 宽调光范围比  ─  30,000:1 H. 多种转换拓扑，包括降压型、升压型、降压-升压型和 SEPIC I. 很多保护功能，例如对 LED 串开路和 LED 引脚至 VOUT 短路的保护以及准确的欠压闭锁门限 J. 占板面积紧凑并需要最少外部组件的小型解决方案 汽车采用高亮度 LED 的例子 毫无疑问，大部分汽车前灯仍然还是白炽灯。不过，白炽灯这种主导地位已经开始面临来自高强度放电 (HID) 灯和高亮度 LED 灯的压力。高强度放电灯包括所有用在普通照明应用中的高强度放电灯，例如高压水银蒸气灯、高压钠灯、低压钠灯以及金属卤化物灯。要在室内、建筑物或室外空间为工作或生活环境照明，普通照明光源已经足够亮了。这类环境照明包括住宅照明、商业和工业照明、路灯以及汽车前灯。高强度放电氙灯是第一种用于汽车前灯的高强度放电灯，于 20 世纪 90 年代推出。不过，这类灯的生产制造成本非常高，因此它们的使用一直仅限于高档汽车。由于最近高亮度 LED 灯的推出，未来这类高强度放电氙灯的使用将会迅速减少。因此，未来 10 年高亮度 LED 前灯的增长率将是最高的。 汽车照明系统设计师面临的最大障碍之一是，怎样优化最新一代 LED 的所有特色和优势。既然 LED 一般需要一个准确和高效率的电流源和一种给 LED 调光的方法，那么 LED 驱动器 IC 就必须设计为在种类繁多的工作条件下满足这些要求。此外，LED 的电源解决方案必须是高效率、坚固及可靠的，同时还必须非常紧凑并具有高成本效益。 可以说，就驱动 LED 而言，要求最苛刻的应用之一将是前灯系统 (由远光灯和近光灯、白天行车灯、雾灯以及转向信号灯组成)，因为前灯处于严酷的汽车电气环境中，同时还必须适应多种温度条件的变化。而且，前灯必须总是能装进非常受限的空间中，成本结构也要有吸引力。 面向汽车前灯的新型 LED 驱动器 IC 凌力尔特公司最近推出的 LT3791 是一款 4 开关同步降压-升压型 LED 驱动器和稳压器控制器，非常适用于驱动汽车前灯应用中的高亮度 LED。控制器用高于、低于或等于输出电压的输入电压工作。该器件具 4.5V 至 60V 的宽输入电压范围和 0V 至 60V 的输出电压范围，同时还可以在工作模式之间无缝转换。此外，其独特的同步降压-升压型拓扑可实现高达 98% 的工作效率，这可极大地减小因功耗产生热量而所必需之散热器的尺寸和重量。 图 1：LT3791 以高达 100W 的功率驱动一个 3A LED 阵列 以地为基准的电压反馈引脚 (FB) 充当几种 LED 保护功能的输入，并使转换器能作为恒定电压源运行，参见图 1。该器件还提供故障保护，以在出现 LED 开路或短路的情况下不被损坏，并发布故障报告，同时当发生故障时，定时器允许 LT3791 锁断或重启。该器件还采用了专有的电流模式拓扑和控制架构，并在降压和升压模式中采用了电流检测电阻器。 高亮度 LED 在工业应用的例子 还有其他一些最终市场应用对大功率高亮度 LED 驱动器有自己独特的需求，在这类应用中，LED 电流必须高于 10A。这类应用包括 DLP 投影机、激光器和建筑照明。不过，提供高于 10A 的电流可能带来很多设计问题，其中非常重要的问题是，最终产品本身的热量管理！为此，凌力尔特开发了独特的 LED 驱动器，以专门满足这类应用的设计需求。 LT3743 是一款降压型同步 DC/DC 转换器，用来提供恒定电流，以驱动大电流 LED。该器件可提供高达 20A 的连续 LED 电流，或高达 40A 的脉冲 LED 电流。LT3743 的独特设计实现了 3 态电流控制，这使该器件非常适用于 DLP 投影机所需的色彩混合应用。该器件还提供非常快 (2us) 的电流转换时间，优化了色彩混合分辨率，并允许在激光驱动器应用中产生非常快的电流脉冲。 LT3743 具 5.5V 至 36V 的输入电压范围，从而非常适用于多种应用，包括工业、DLP 投影和建筑照明。LT3743 用标称 12V 输入提供高达 20A 的连续 LED 电流，从而可提供超过 80W 的功率。在脉冲式 LED 应用中，该器件可用 12V 输入提供高达 40A 的 LED 电流，或 160W 峰值功率。高达 95% 的效率使得无需任何外部散热措施，而且极大地简化了热设计。频率调节引脚使用户能在 100kHz 至 1MHz 范围设定频率，这样设计师就可以优化效率，并能最大限度地减少外部组件的尺寸。结合 4mm x 5mm QFN 或耐热增强型 TSSOP-28 封装，LT3743 提供了非常紧凑的大功率 LED 驱动器解决方案。参见图 2，以了解提供 20A LED 电流的典型应用原理图。 图 2：提供 20A LED 电流的 LT3743 典型应用原理图 LT3743 提供 PWM 和 CTRL_SELECT 调光，在 3 种 LED 电流时，实现 3000:1 的调光能力，从而非常适用于 DLP 投影机中所需的那类色彩混合应用。类似地，LT3743 独特的拓扑使其能以不到 2us 的时间在两个稳定的 LED 电流值之间转换，从而可在 RGB 应用中提供更准确的色彩混合。LT3743 保持 ±6% 的 LED 电流准确度，以确保 LED 提供最准确的光输出度。其他特点包括输出电压调节、LED 开路保护、过流保护和热降额电路。 结论 毫无疑问，高亮度 LED 能有广泛的应用，因为与白炽灯相比，高亮度 LED 具固有的高功率效率和长工作寿命，所以很多设计师正在转向高亮度 LED。显然，就任何给定应用而言，选择合适的 LED 以提供所希望的光输出是设计师的责任。然而，可以极大提升总体设计的 LED 驱动器 IC 常常被忽视。幸运的是，凌力尔特等制造商很早前就认识到这需求，而且已经通过推出革命性的 IC，奋起迎接了这一挑战，这些 IC 兼有丰富的功能和性能特点，使系统设计师的选择工作变得更容易了。因此，无论最终应用来自汽车、工业或其他领域，都有望变得更好!