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LED驱动IC引领照明应用发展
别忽视了驱动IC的重要性

【作者: Tony Armstrong】2013年02月26日 星期二

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过去几年中,LED市场已经出现了大幅成长。随着散热、封装和制程方面取得的进步,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。与白炽灯泡不同的是,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浪费掉了。顺便一提,白炽灯泡的照明灯具设计之所以更像散热片(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100lm/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灯至少拥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,我们可以做一下如下计算,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,与标准白炽灯的1/3年大相径庭!



图一 : LT3791 以高达 100W 的功率驱动一个 3A LED 数组
图一 : LT3791 以高达 100W 的功率驱动一个 3A LED 数组

LED驱动IC才是发光关键

高亮度LED照明的成本也已经非常迅速地下降了。过去几年,单个白光二极体的价格已经下降,而一个LED灯中具备几个二极体,这些二极体的成本占LED灯成本的大部分。很多LED业界分析师预测,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晶片,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晶片通常仅需要大约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L​​ED灯内驱动LED所需的电路。令人难以置信的是,这种电路的核心是类比LED驱动IC。


今天,LED驱动IC必须具有的一个主要的性能特点,以充分地对LED调光。既然LED是用定电流驱动的,且DC电流值与LED亮度成正比,那么要透过控制LED电流来改变LED亮度,就有两种调光方法。第一种方法是类比调光,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。


第二种方法是数位或脉冲宽度调变(PWM)调光。 PWM调光以等于或高于100Hz的频率导通和断开LED,以这种频率切换,人眼是察觉不到的。 PWM调光的工作周期与LED亮度成正比,而在导通时LED电流保持相同的值(如LED驱动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架构,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IC应该具有以下特点:


  • 1. 宽广输入电压范围 ─ 高达100V


  • 2. 高效率转换 ─ 高达98%


  • 3. 严格调节的LED电流匹配 ─ 随温度变化不到5%


  • 4. 低杂讯、定频工作 ─ 高达2.5MHz


  • 5. 独立的电流和调光控制


  • 6. 宽广调光范围​​比 ─ 30,000:1


  • 7. 多种转换架构,包括降压、升压、升降压和SEPIC


  • 8. 很多保护功能,例如对LED串开路和LED接脚至VOUT短路的保护以及准确的欠压锁住门槛


  • 9. 接架占位小并只需最少外部元件的小型解决方案




图二 : 提供 20A LED 电流的 LT3743 典型应用原理图
图二 : 提供 20A LED 电流的 LT3743 典型应用原理图

汽车采用高亮度 LED 的例子

毫无疑问,大部分汽车前照灯仍然还是白炽灯。不过,白炽灯的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照灯的高强度放电灯,其于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前灯的成长率将是最高的。


汽车照明系统设计者面临的最大障碍之一,是如何优化最新一代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,和一种为LED调光的方法,那么LED驱动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,同时还必须非常精小并具有高成本效益。


可以说,就驱动LED而言,要求最严苛的应用之一将是前照灯系统(由远光灯和近光灯、白天行车灯、雾灯以及方向灯组成),因为前照灯处于严苛的汽车电气环境中,同时还必须适应多种温度条件的变化。而且,前照灯必须能装进非常受限的空间中,成本结构也要有吸引力。


结语

毫无疑问的,高亮度 LED 能符合广泛的应用要求,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,所以很多设计者正在转向高亮度 LED。显然,就任何给定的应用而言,选择合适的 LED 以提供所需的光输出是设计者的责任。然而,可以大幅提升总体设计的 LED 驱动 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此需求,而且已经透过推出革命性的IC迎接此挑战,这些IC 兼具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,都可望变得更好!


(作者为Linear凌力尔特电源产品部产品行销总监,完整技术报告请见CTIMES科技网)


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