用恒流稳压器实现高亮度LED照明方案

2009年12月23日 15:12    李宽
关键词: LED , 方案 , 亮度 , 稳压器
近些年来,LED领域出现了诸如高亮度LED(HB-LED)这样的进展,这些技术进展已经很快地应用于汽车、建筑物和街道照明等终端市场。而且,在最新驱动器技术的配合下,高性能LED照明变得比传统的照明形式更加可靠及高效,在市场上也越来越普及。

但由于缺乏标准化,LED的驱动及控制方式多种多样。许多应用所使用的方案并未顾及LED的特殊需要。有些方式虽然能够应对新的认证需要,但并不能提供极佳的系统方案。因此,市场上存在针对特定应用解决方案的机会和需求。

系统方案

安捷伦科技现已退休的科学家Roland Haitz博士曾强调:照明领域——实质上已是整个电子产业发展的一个重点。他说道,“虽然爱迪生只是第38位发明基于灯丝的电灯的人,但他是第1个提供整个照明系统的人。”HB-LED的存在,创造了替代现有多缺点照明技术的巨大机会。然而,与Haitz博士的观点一致,我们认为需要系统的方案来实现这个理念,即让HB-LED系统替代灯丝、荧光灯管甚至是卤素和氙气照明等传统照明系统。

固态HB-LED照明系统的主要组件可以简单地划分为电源转换、控制及驱动、热管理、光学,当然还包括LED本身。没有完整提供及应用这些组件中任何一个,给定的HB-LED照明系统就不能高效工作。例如,没有使用透镜和导光板来对光源对焦(focusing)及处理,就无法符合应用的照明规格。同样,如果没有慎重考虑及应对热管理问题,由于LED接面温度急升至远高于组件的最高额定工作温度,就会严重影响系统工作寿命。

HB-LED照明系统中的电压源会随着应用类型的差异而不同。对于建筑及楼宇应用而言,我们通常可以预估供电电压为交流电源。与此同时,户外照明可能采用交流电源、12V铅酸电池等未稳压电源或者太阳能供电。而就汽车应用而言,电源通常是12V电池。

尽管有可能采用电压源来驱动LED而不使用某种类型的电源转换,但这并非一个好主意,因为正常的电压波动会导致LED电流大幅变化。顾及电压/电流(V/I)曲线极为陡峭以及不同批次LED的正向电压(通常高于1V)差异较大等因素,使用隔离或非隔离电源转换段就是非常必要的了。

LED稳流

LED驱动器的主要功能就是限制电流,而不论何种输入条件及多种工作条件下正向电压如何变化。驱动器本身以及整体系统方案必须符合应用在能效、电流容限、外形因子、尺寸、成本及安全性等方面的要求。所选择的方案还必须易于应用及足够强固,以满足特定应用的极端环境条件。

设计人员根据其应用的不同细节,可以选择三种不同的基本稳压器拓扑结构,它们是:

● 降压(Buck)—所有工作条件下最小输入电压(Vin)都始终大于LED串的最大工作电压时采用。

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图1  降压转换器典型电路图

● 升压(Boost)—所有工作条件下最大输入电压(Vin)都始终小于LED串最小工作电压时采用。

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图2 升压转换器典型电路

● 降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)—输入与输出电压之间有交迭时采用。耦合电感方面的进步使这些方案更易于应用在同等尺寸的降压或升压拓扑结构中。一旦掌握,SEPIC拓扑结构就能够提供比其他常用拓扑结构更多的优势,也能够提供更高能效、更小外形及更低成本。

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图3 降压-升压转换器典型电路图

LED稳流方案的分类

1 电阻

电阻是最简单、最低成本的稳流方案。在实践中,它们并不是一种实用的解决方案,因为它们依赖于电池电压,导致LED亮度变化,能效低和必要的昂贵成本,并且需要耗时耗力的LED编码。

2 线性稳压器

线性稳压器易于设计,能够提供有效的稳流及过流保护,并且提供外部电流设定点,是一种“中等的”HB-LED系统稳流方案。然而,在当今这个节能意识很强的时代,对于许多装置,特别是街道照明、建筑物及电池供电应用而言,设计人员可能会认为它们耗电太多及能效低到不可接受。而能效低的线性稳压器几乎都会有热管理问题,这通常需要采用某种形式的散热片,但会增加整体设计的尺寸及成本。

3 开关稳压器

开关稳压器是最昂贵及技术最复杂的LED电流控制方案。它们与线性稳压器及简单的电阻稳流方案不同,易受电磁干扰 (EMI)影响,为设计人员带来了另外一项需要克服的挑战。然而,开关稳压器能效很高,且能为应用提供亮度控制功能。对于中到大功率方案而言,或者应用需要处理宽输入电压范围,开关稳压器是唯一可行的选择。

4 恒流稳压器

2引脚及3引脚恒流稳压器(如安森美半导体开发的)能够提供比线性稳压器和开关稳压器更简单及更低成本的方案,而且比电阻方案更具性能优势。2引脚组件提供固定输出,而3引脚版本提供采用简单的外部电阻来设定输出的功能。其输出电流值介于20~150mA之间,最大工作电压为45V,确保能够承受电池负载突降电压。

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图4 恒流稳压器典型电路图

使用恒流稳压器就像使用线性及开关稳压器一样,确保在它们支持的宽LED电压范围下提供恒定亮度。它们还保护LED在较高输入电压时免受过驱动影响,并大幅降低或完全消除成本高昂、问题很多的LED库存编码问题。达40V的宽输入电压范围支持多种应用条件下的工作,承受相关的供电电压波动。恒流稳压器可以配置为降压、升压或SEPIC拓扑结构。如果驱动的LED串的电流高于单个恒流稳压器能够支持的范围,就可以并联这些组件来提供解决方案。

LED发射的光与其平均输出电流成正比。恒流稳压器还能控制这个电流,提供额外的光输出调节功能。可以采用模拟调光或数字脉冲调变技术来提供调光功能。模拟调光方案结合输入PWM信号及反馈电压,从而降低平均输出电流。数字调光方案使用输入PWM信号来抑制稳压器的开关,并降低平均输出电流。典型调光频率为200~1000Hz,因为人眼不能看清高于200Hz频率时的细微变化,但可察觉低于这个频率时的细微变化。

结语

HB-LED有潜能成为多种多样照明应用的主力军。将HB-LED照明与其他照明技术相比时,电源能效、长寿命及设计多样性仅是我们正面平价的一部分。随着特定用途恒流稳压器的发展,更佳的多用途(all-round)系统方案将会诞生。

作者:安森美半导体公司   Tim Kaske,Paul Decloedt
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