就普通照明而言，LED技術(shù)已經(jīng)可以滿(mǎn)足生產(chǎn)高品質(zhì)燈具的要求，但是具體生產(chǎn)高品質(zhì)LED燈具時(shí)，則需要掌握電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)等三個(gè)領(lǐng)域的知識。很少有同時(shí)精通于三個(gè)領(lǐng)域的工程師，而如果電源工程師還負責系統架構時(shí)，他多半會(huì )將更多精力放在控制輸出電流的精確度上。毫無(wú)疑問(wèn)，精確度非常重要，但當我們的最終產(chǎn)品是一個(gè)燈具時(shí)，它發(fā)出的光的品質(zhì)才是我們所關(guān)心的重點(diǎn)所在。
本文重點(diǎn)探討了如何對LED驅動(dòng)電流進(jìn)行嚴格控制，因為當我們關(guān)心輸出光品質(zhì)時(shí)，對LED驅動(dòng)電流的控制將會(huì )成為影響LED電源成本的重要因素。為了使用于LED供電電源設計的每分錢(qián)都充分發(fā)揮作用，我們在本文中提出了一個(gè)最佳方案——封閉實(shí)際光輸出的控制回路。
半導體照明這一新興領(lǐng)域的出現，使同時(shí)專(zhuān)長(cháng)于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)（機械工程）這三個(gè)領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前，在三個(gè)領(lǐng)域都富有經(jīng)驗的工程師并不很多，而這通常意味著(zhù)系統工程師或者整體產(chǎn)品工程師的背景要和這三大領(lǐng)域相關(guān)，同時(shí)他們還需盡可能與其他領(lǐng)域的工程師協(xié)作。
系統工程師常常會(huì )把自己原領(lǐng)域養成的習慣或積累的經(jīng)驗帶入設計工作中，這和一個(gè)主要研究數位系統的電子工程師轉去解決電源管理問(wèn)題時(shí)所遇到的情況相同：他們可能依靠單純的模擬，不在試驗臺上對電源做測試就直接在電路板上布線(xiàn)，因為他們沒(méi)有認識到：開(kāi)關(guān)穩壓器需要仔細檢查電路板布局；另外，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)試驗臺測試，實(shí)際的工作情況很難與模擬一致。
在設計LED燈具的過(guò)程中，當系統架構工程師是位元電子電力專(zhuān)家，或者若電源設計被承包給一家工程公司時(shí)，一些標準電源設計中常見(jiàn)的習慣就會(huì )出現在LED驅動(dòng)器設計中。一些習慣是很有用的，因為L(cháng)ED驅動(dòng)器在很多方面與傳統的恒壓源非常相似。兩類(lèi)電路都工作在較寬的輸入電壓范圍和較大的輸出功率下，另外這兩類(lèi)電路都面對連接到交流電源、直流穩壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來(lái)的挑戰。
電力電子工程師習慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度，對LED驅動(dòng)器而言并不是很好的習慣。諸如FPGA和DSP之類(lèi)的數位負載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴格的控制，以防止出現較高的誤碼率。因此，數位電源軌的公差通常會(huì )控制在±1%以?xún)然虮人鼈兊臉朔Q(chēng)值小，也可用其絕對數值表示，如0.99V至1.01V。在將傳統電源的設計習慣引入LED驅動(dòng)器設計領(lǐng)域時(shí)，帶來(lái)的問(wèn)題就是：為了實(shí)現對輸出電流公差的嚴格控制，將浪費更多的電力并使用更昂貴的元件，或者二者兼而有之。
善用每一分預算
理想的電源是成本不高，效率能達到100%，并且不占用空間。電力電子工程師習慣了從客戶(hù)那里聽(tīng)取意見(jiàn)，他們也會(huì )盡最大力量去滿(mǎn)足那些要求，力圖在最小的空間和預算范圍內進(jìn)行系統設計。在進(jìn)行LED驅動(dòng)器設計時(shí)也不例外，事實(shí)上它面對更大的預算壓力，因為傳統的照明技術(shù)已經(jīng)完全實(shí)現了商品化，其價(jià)格已經(jīng)非常低廉。所以，花好預算下的每一分錢(qián)都非常重要，這也是一些電力電子設計師工程師被老習慣“引入歧途”的地方。
要將LED電流的精確度控制到與數位負載的供電電壓的精度相同，則會(huì )既浪費電，又浪費錢(qián)。100mA到1A是當前大多數產(chǎn)品的電流范圍，特別是目前350mA（或者更確切地說(shuō)，光電半導體結的電流密度為350mA/mm2）是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案?？刂芁ED驅動(dòng)器的積體電路是矽基的，所以在1.25V的范圍內有一個(gè)典型的帶隙。要在1.25V處達到1%的容差，亦即需要±12.5mV的電壓范圍。這并不難實(shí)現，能達到這種容差或更好容差范圍的低價(jià)電壓參考電路或電源控制IC種類(lèi)繁多，價(jià)格低廉。當控制輸出電壓時(shí)，可在極低功率下使用高精度電阻來(lái)回饋輸出電壓（如圖1a所示）。為控制輸出電流，需要對回饋方式做出一些調整，如圖1b所示。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡(jiǎn)單的手段。
圖1a：電壓回饋； 圖1b：電流回饋（點(diǎn)擊圖片查看高清原圖）
[page]深入研究之后，就會(huì )發(fā)現這樣做的一個(gè)主要缺點(diǎn)是：負載和回饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與LED串聯(lián)的一個(gè)電阻上，這意味著(zhù)參考電壓或LED電流越高，電阻消耗的功率越大。所以，第一代專(zhuān)用LED驅動(dòng)積體電路的參考電壓要遠低于現在的產(chǎn)品，這類(lèi)似于電池充電器。電壓更低意味著(zhù)功耗更低，也意味著(zhù)更小、更便宜、更低損耗的電流檢測電阻。在圖1b所示的簡(jiǎn)單的低端回饋環(huán)境下，200mV是常規的電壓選擇。但是，要在200mV參考電壓下實(shí)現±1%的容差，則需要一個(gè)價(jià)格很高的積體電路，此時(shí)相對于標稱(chēng)參考電壓的容差為±2mV。盡管這并不是不可能實(shí)現的，不過(guò)更高的精度需要更高的成本。±2mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測試和分級技術(shù)，此時(shí)，附加成本應花費在更智慧的LED驅動(dòng)器上。新的費用的價(jià)值是增加了一個(gè)反饋回路，借助該回路，可以利用光輸出（而非電流輸出）來(lái)控制如何驅動(dòng)LED。
測量光輸出
就像數位產(chǎn)品設計師在電源設計中遇到不確定問(wèn)題時(shí)會(huì )采取模擬解決問(wèn)題那樣，電力電子工程師出身的系統架構師在進(jìn)行LED燈具設計時(shí)會(huì )想到高精度的輸出。LED制造商已經(jīng)清楚的表明，光通量與前向電流成正比。利用相同的電流驅動(dòng)所有LED，那么每個(gè)LED會(huì )產(chǎn)生相同的光通量。因此，電力電子工程師就會(huì )得出結論：高精確度的電流是必須的。這樣一來(lái)，他們就忘記了光輸出的流明和勒克斯值（而不是安培值）才是重點(diǎn)。測量電流是很容易的，而相對的，測量光則需要昂貴的大型設備，如圖2所示的積分球，而大部分電子工程師對積分球都不太了解。
圖2：光學(xué)積分球截面圖
另外，即使容差為±0.1%的電流源（其價(jià)格會(huì )相當高）有巨大的市場(chǎng)價(jià)值，它對在實(shí)際光輸出中產(chǎn)生嚴格的容差值上沒(méi)有什么作用。透過(guò)觀(guān)察LED光通量的分級可以確定這一點(diǎn)。表1給出了世界三大頂級電力光電半導體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結果。注意最后一列是各分級的容差平均值，而不是所有光通量分級范圍內的容差。
表1：全球前二大光電半導體制造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結果
[page]計算光輸出精度
了解到來(lái)自單個(gè)通量分級的LED光輸出會(huì )有±3%到±10%的容差之后，系統工程師可能會(huì )因此得出結論：驅動(dòng)電流容差值必須是越嚴格越好。然而從統計學(xué)角度來(lái)看，該觀(guān)點(diǎn)并不正確。一個(gè)常見(jiàn)的但不正確的假設是：任何值的整體容差都等于最壞條件下各值的簡(jiǎn)單加總僅。為L(cháng)ED供電的電流源的容差和LED光通量的容差是互不相關(guān)的──它們在最初階段就已相互獨立。對于不相關(guān)的兩個(gè)因數X和Y，整體容差Z并不是X和Y的容差之和，而是應該利用下述運算式進(jìn)行計算：
表2和圖3給出了整體容差和一列假設電流源容差的對比情況，此時(shí)假設LED光輸出在350mA的區域內隨前向電流呈線(xiàn)性變化。
圖3：光輸出整體容差與電流源容差的對比
表2：整體容差和一列假設電流源容差的對比
根據方程1可以發(fā)現，最低容差因數的作用大于其他，而且實(shí)際的整體容差值要遠優(yōu)于各個(gè)因數在最壞情況下的容差的和，尤其是當其中一個(gè)因數遠好于其他因數時(shí)。觀(guān)察圖3，電流源容差的最合理的目標是將其控制在LED光輸出的容差范圍內。記住一點(diǎn)：出于成本考慮，許多燈具會(huì )使用來(lái)自不同分級的LED。
高品質(zhì)LED燈要求更多的回饋
LED制造商和他們的分銷(xiāo)伙伴正努力地改進(jìn)產(chǎn)品的光通量容差，在合理的成本范圍內提供更細的分級。對于希望產(chǎn)品可使用5年或50，000個(gè)小時(shí)，并在使用期內保持整體光輸出不變的設計師而言，即使想滿(mǎn)足最密集的通量分級和設定0.1%的容差電流源也很難實(shí)現。因為熱量和隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)而產(chǎn)生的性能衰減等兩個(gè)重要因素會(huì )降低LED的光通量，即使電流源容差和LED光通量容差都達到0.001%也無(wú)法解決該問(wèn)題?？紤]到這些損耗，高品質(zhì)固態(tài)照明產(chǎn)品設計師必須找到具有額外反饋回路的電源，也即找到熱量和光源。為此需要進(jìn)行調光控制，可以對輸出電流進(jìn)行線(xiàn)性控制和PWM（脈寬調變）控制的積體電路便成為最佳選擇。
美國國家半導體的LM3409和LM3424都是LED驅動(dòng)器控制IC，它們是適用于半導體照明的第二代電流源。二款產(chǎn)品均可透過(guò)可變電阻器或電壓源來(lái)控制平均的LED電流值，并且可為PMW（脈寬調變訊號）調光訊號提供專(zhuān)門(mén)的輸入訊號。除了線(xiàn)性控制回路外，LM3409和LM3424的類(lèi)比調節功能也讓系統設計師可以在權衡輸出電流精度及尺寸、成本和電流檢測電阻的功耗間做出自己的選擇。
圖4：LM3409/09HV降壓LED驅動(dòng)器
圖4所示的LM3409/09HV控制降壓電路，是功率LED驅動(dòng)器中最常用的電路模式。圖5中的LM3424可以作為升壓穩壓器LED驅動(dòng)器，也可以作為降壓/升壓、SEPIC（單端主電感轉換器）、反激式甚至是‘’懸浮‘’降壓電路。
圖5：LM3424升壓LED驅動(dòng)器需要光控制的應用領(lǐng)域
路燈是一個(gè)很好的光源示例，因為它有嚴格的法定標準限制。對于公路用路燈，歐盟國家規定了其最小和最大的光輸出及照明模式。對于符合此規定并提供五年或更長(cháng)使用壽命的LED路燈來(lái)說(shuō)，設計時(shí)必須考慮到熱量引起的即時(shí)光通量損失和更長(cháng)時(shí)間下性能下降帶來(lái)的通量損失。一種很自然的方法是使用光感測器，比如構成線(xiàn)性控制回路的光電二極體。在系統啟用的第一天，應當就僅使用整體可用驅動(dòng)電流的一部分，這樣做是考慮到隨著(zhù)時(shí)間推移，驅動(dòng)電流將慢慢增至一個(gè)上限，籍此保證光輸出恒定?？梢詫⒐怆姸O體偏置，并轉換為一路脈寬調變訊號，這將有助于在調光范圍內維持更加恒定的相對色溫，其線(xiàn)性控制回路更加簡(jiǎn)單，一般而言調光范圍也比較小。根據不同的時(shí)間、運動(dòng)感測器或其他節省功耗的措施，對光輸出進(jìn)行控制時(shí)，PWM控制將更加有用。圖6給出了具有更長(cháng)壽命、光輸出恒定的LED燈的假定的原理圖。
圖6：PWM（脈寬調變）用于日/夜控制，線(xiàn)性控制用于光輸出
本文小結
輸出電流精度只是評價(jià)LED驅動(dòng)器性能的一個(gè)方面，但是當LED本身的光通量容差保持在遠高于±1%的水準時(shí)，即使對電流源容差和數文書(shū)處理器中電壓軌的容差要求一樣嚴格，也幾乎沒(méi)有任何意義，平均LED電流容差應當差不多等于光通量容差。本文基于單個(gè)分級的誤差示意了一種理想情況，并給出了一些更加實(shí)際的例子，這些例子使用兩個(gè)或更多分級的LED，其容差也可更輕松地達到±5%、±10%或更高。在額外的控制回路中，應該將錢(qián)用于1%的電流控制，并將電力用在更高的檢測電壓上都可。有些LED燈會(huì )更強調簡(jiǎn)單實(shí)用和低成本，此時(shí)即使采用線(xiàn)性調光也會(huì )顯得過(guò)于復雜和昂貴，但如果想要發(fā)揮LED全部性能的燈具就需要使用線(xiàn)性控制或PWM（脈寬調變控制）方式或者二者協(xié)調使用，從而提升產(chǎn)品性能和壽命。
表3：相同的LED所具有的高階兩級、三級、四級光通量分級下的容差值
