驱动高亮度 LED

时间:2019-06-19 15:41来源:21Dianyuan

摘要:​高亮度发光二极管(HBLED)正在带来一场照明革命,其应用范围包括从简陋的手电筒到汽车前照灯。然而,除成本和效益等方面之外,也需要其有很长的使用寿命来充分证明其使用的合理性。除了制造质量外,工作温度也是延长其寿命的主要因素。

本文作者:贸泽电子 Mark Patrick

高亮度发光二极管(HBLED)正在带来一场照明革命,其应用范围包括从简陋的手电筒到汽车前照灯。然而,除成本和效益等方面之外,也需要其有很长的使用寿命来充分证明其使用的合理性。除了制造质量外,工作温度也是延长其寿命的主要因素。这意味着需要认真考虑其散热器设计,以及在遇到异常情况(例如冷却损耗,否则可能导致早期故障和昂贵的更换成本)下驱动器将电流保持在最佳水平的能力。为了增大LED应用的优势,驱动器还可以提供诸如调光、故障保护和控制多串LED的功能。在本文中,我们将介绍一些LED应用的背景信息、成本/收益考虑因素以及如何为不同的应用选择相应的LED驱动器。



请用近光,不要开大灯炫目!
早在20世纪70年代的英国,电视上就有定期的公共服务公告,这其中包括在核攻击情况下躲在厨房桌子下避难的建议,到如何安全地穿越道路(由David Prowse解释,他后来在《星球大战》电影中扮演Darth Vader)和如何安全驾驶等等。其中一项活动是“Dip Don‘t Dazzle!”,提醒公众“开前大灯”可能会使迎面而来的车辆驾驶员暂时失明。这在当时几乎不是一个大问题,因为那时采用的是黄色的光束、略显混浊的镜头以及失去光泽的反射镜等等,但在今天,非常具有穿透力的汽车HBLED(甚至踏板自行车)都是一个明显的危险。通过HBLED技术,可以用更高性能LED产品取代白炽灯泡、荧光灯管和钠/汞蒸汽灯。根据Global Market Insights的研究数据,预计到2023年,全球HBLED收入将达到220亿美元,复合年增长率为4.9%。

HBLED基础知识
LED利用半导体二极管p-n结的特性,当p-n结施加正向偏压时,电子与穿过半导体带隙的“空穴”重新结合,通过电致发光效应发射光子。半导体的掺杂量会影响带隙大小,进而影响所发射光子的能量和频率或颜色。现代HBLED通常是高功率蓝光发射体,其前面若有一个透明混合体(melding),包括有铈掺杂的钇铝石榴石磷光体(Ce3 +:YAG)(cerium-doped yttrium aluminium garnet phosphor),可发射黄光。蓝光和黄光的组合能够产生白光,具有良好的色彩再现。半导体材料和封装技术的进步带来了更好的热性能,现在已经可以通过单个HBLED产生超过100流明/瓦。其他LED荧光粉组合可以产生特定的颜色特性(但可能效率较低),白色也可以由三个独立的红色、绿色和蓝色LED组合(RGB)产生(在与温度和时间相关的颜色稳定性方面较差)。然而,这些RGB系统非常有用,能够满足情景照明或舞台照明等需要动态颜色变化的应用需求。

HBLED的其它挑战
HBLED不一定是适合所有照明应用的最佳解决方案。这种技术比白炽灯具有更高的效率,能够将6倍的电能转换为光能,寿命长25倍,但价格却高出约20倍。荧光灯具有大致相同的效率和寿命,但大约是同等固态照明方案价格的四分之一。也就是说,还有其他因素需要考虑,例如装配/更换成本、可调光性、机械强度和碳排放量、以及处置成本等等。对于某些应用,效率并不是主要问题,例如白炽灯如果处于需要变暖的房间,那么尽管电能消耗较多,但是热量却得到利用。如果电压降低几个百分点,寿命也会大大延长。例如,降低电压10%将使发光强度减小约30%,刚好处于变化明显的阈值,但此时寿命却延长约4.5倍(色温也确实发生改变)。

如果HBLED可以实现预期的生命周期,便可以在大多数应用中胜出,这归根到底仰仗于有效的热管理。 LED在正常条件下很少突然失效,但由于晶格缺陷或“位错”的扩散而会损失亮度。一个典型的HBLED寿命曲线与芯片温度的关系如图1所示。随着时间的推移,LED变暗的可接受值是“L70”,此时流明输出降低到初始值的70%。上图显示,结温差为20℃时,HBLED寿命可能在20,000到70,000小时之间。


 
图1: 在不同HBLED芯片温度下流明随时间的降低(根据Philips Luxeon K2数据,以最大额定电流驱动)。
 
HBLED驱动器性能是关键
所选定的驱动IC是使芯片温度维持在设计限度内的基础,但某些应用也决定了所需驱动器类型。许多非关键、低功耗应用可能使用恒压源的串联电阻来设置LED电流。这当然很简单,但却非常低效,因为电阻器会造成功率损耗。如果电源电压与LED正向电压(VF)很接近,则电阻器中的损耗较低,但LED电流不太准确,正向电压的初始变化很容易达到20%。对于一个典型的蓝光HBLED,VF可以在3.03V到4.47V之间变化(考虑到制造公差),因此在电源电压为5V的情况下,电流将变化约3.7到1倍,由于LED损耗和颜色再现发生较大变化,这显然不是最佳情况。HBLED的电压本身也会随着结温而变化,因此实际的电流变化可能更大。

受控电流源是最好的解决方案,而且还有其他多种选择,但最简单的是线性恒流稳压器。这种类型的驱动器可以使LED电流保持在较高精度,不会产生任何噪声,但功耗相对较高,除非所选择的HBLED(或‘组合’)具有较小的VF,且电源电压最小。可以通过模拟手段进行调光,但色温会随强度变化。图2所示为采用Diodes Inc.的PAM2808用于单个LED发射器的电路。如果一个信号被加到使能引脚,也可以采用脉冲宽度调制(PWM)调光,但在一些简单的应用中,这种信号可能并不现实。对于1A LED,其RS是一个较低值,通常为100m?6?8。静态电流也很低,这对于电池供电应用更为重要。


 
图2:一个针对电池供电应用的线性LED驱动器。
 
在需要进行复杂的控制时,开关模式稳压器是提高效率的首选解决方案。电源电压可高于或低于总的LED VF,并可包括多种功能(如远程控制、过温保护或其他故障条件)。

应用案例:建筑物照明
建筑照明主要是采用混合色彩,以增强外观形象和创造震撼效果。通常采用交流电源,因此可以使用AC/DC转换器为LED驱动器提供一个方便的处于较低和安全范围的恒定电源电压,能够在灯具内安全配电。HBLED通常是以串联提供,具有多个通道以增加光强度和不同色彩。如图3所示,为一个基于Micrel MIC3201驱动器IC的驱动电路。其输入电压高达20V,能够使1A电流输送到由四个LED组成的LED串。电路拓扑架构采用滞回型降压转换器,这种变频拓扑架构仅需少量外部元件即可保持90%以上的效率和±5%的LED电流。该IC具有调光控制,可通过低频PWM信号驱动,以将LED高频PWM信号从1%变为99%。可选择使用红色、绿色和蓝色LED调光驱动器,然后将它们的投影光组合起来,以产生任何颜色的光。电流通过一个方便的高压侧电阻来感测,在最大额定1A电流下,只有0.2V的压降。


 
图3:用于建筑物照明的一个彩色通道典型驱动器。
 
应用案例:园艺照明
在园艺中,人工照明一直被长期使用,但在一个利润微薄的行业,成本永远是一个重要问题。此外,白炽灯产生的热量已经被证明有较大问题,因此光源必须远离敏感的植物。LED灯以其更高的效率打开了该市场,目前园艺管理者已经意识到,可利用LED的不同颜色来在不同阶段促进植物生长。例如,“深蓝色”和“超红色”最适合光合作用,“远红色”控制发芽、营养生长和开花。一系列不同颜色光的组合,配合以白光,可以通过编程来改变植物的品质,LED制造商也据此通过提供特定的为园艺而优化的LED颜色来满足市场需求。图3所示的驱动器配置适用于该项具有选定颜色的多个通道应用。

应用案例:汽车显示器
汽车内部照明或显示器照明等应用可以采用与建筑物照明类似的电路,但要求能够在较高和较低电压下工作,以至少能够部分满足汽车应用的瞬态和电压骤降等条件。通常,需要初始阶段保护以应对高能量“负荷突降”瞬变,而这些措施可能已经用于保护其他电子设备。图3电路中的降压转换器只能降低电压,因此,在一个额定电压为12V的汽车系统中,实际上只能串联一个或两个白色HBLED,在最坏情况下每个HBLED的电压降大约为4.5V。Maxim MAX16832A/C驱动器符合这种应用条件,其工作温度为-40°C~+125°C的汽车级温度范围,输入工作电压从6.5V至65V。这些IC具有脉宽调制调光功能,在温度过高的情况下,可恒定显色和模拟降低LED电流。

对于精密背光应用,需要较高的灵活性,可以使用升压转换器,以便通过额定电池电压来产生更高电压,从而允许驱动多个串联LED。Semtech SC5012即是一个这种升压转换器,它以4.5V到45V的输入电压工作,能够以高达65V/150mA同时驱动四个LED串,每个串的匹配度控制在±1%以内。该器件具有I2C接口,可用于故障监测,以及开/短LED和过温检测,同时还提供外部频率同步。该器件可提供模拟和脉宽调制调光,具有9/10位分辨率可选。SC5012的一个独特功能是“相位扩展”,四个LED串中的每一个都由开关周期中以90°分隔的脉冲驱动,这降低了总的纹波电流(需要更小的输入/输出电容),提高了调光线性度。SC5012采用4mmx 4mm 24引线QFN封装,满足AEC-Q100(2级)要求。图4所示为它的一个典型应用电路。


 
图4:Semtech 5012 LED驱动器的一个典型应用电路。
 
总结
HBLED技术已经在业界得到越来越多的支持,其中包括范围广泛的驱动器和一系列先进的功能。无论是对于最简单的照明系统,还是最苛刻的应用,都有高性能和成本优化的解决方案,能够满足具体应用的任何要求。

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