1、LED设计文章可调光市电输入LED通用照明解决方案LED在电子系统中使用已经有很多年了，主要用作电子设备的指示灯。最近在亮度和色彩深度方面取得的重大进步，意味著LED现在可以用于更广泛的应用，从手机和多媒体播放机中的趣味照明，一直到取代商业和家庭照明应用中的传统光源。推动LED照明市场发展的关键推动力是高亮度LED和智能LED控制器的出现。采用高亮度LED的产品设计师面临著许多设计挑战，包括散热管理、驱动方案、拓扑架构和已有的基础设施。要替代现有的可调光白炽灯或卤素灯光源，必须实现这样的一个电子灯驱动系统，它不仅可以与现有的调光开关一起工作，而且可复制现有光源的调光性能。NXP(恩智浦)SSL
2、2101 IC可以满足上述性能要求，此外，它还是一种高效的电源转换器。这是业内第一款集成这些能力的IC，它使得高亮度LED灯/模块设计师能够以一种省成本和体积的方式集成电子电路，并从最佳热权衡中获益。LED特性LED需要一个与白炽灯或卤素灯完全不同类型的驱动器。白炽灯表现为具备自稳定特性的纯电阻负载，LED则需要一个电流源。LED产生的光通量近似正比于流经该器件的电流。LED的正向电压随电流增加而增加，但随温度的上升而减少。在这方面，LED表现得象二极管。不过，在工作期间LED的正向电压（VF）是很大的。该电压与电子转化为光子时产生的能量（eV）相关，该能量又直接相关于光的颜色。此外，不同生产
3、批次之间的VF值可以相差很大。串行/并行配置在大多数用LED替代现有光源的应用中，需要连接多个LED到驱动器上，因为单一的LED不能产生足够的光通量。LED可以采用串行或并行连接。如果LED采用串行连接，LED链上的总电压等于正向电压的总和（所有LED上的电流相等）。如果LED并行连接，电流将分配到各支路中。不过，由于一个LED的正向电压会随著温度上升而下降，因此这一配置本质上是不稳定的。随着温度的升高，越来越多的电流将流到具有更低正向电压的支路上去，这些支路将变得更亮，而那些具有更高正向电压的支路将变得更暗。不过，采用并联配置（或串并联组合）的一个原因是，它允许大量的LED以一个安全的电源电
4、压结合在一起，而如果要采用串行连接来达到相同的亮度，你可能需要一个高得令人无法接受的电压。并行配置还提供了冗余优势。如果一个串行连接的LED链上一个LED或连接出现问题，那么将导致断路，整条链上的所有LED都将不发光。但如采用并联配置的话，这情况将不可能发生。采用并联配置时，建议每条支路都增加电流调节机制，以防止热失控和电流或光的不相等。总而言之，当输出和输入电压差最小时，电源转换器的效率最高。当采用市电输入的LED驱动器时，允许产生更高的输出电压，从而允许串行连接更多的LED。市电调光标准工业和家用调光器设计用于白炽灯。一些较先进的型号可与连接到卤素灯的变压器一起使用。目前专门针对LED负载
5、的市电调光器仍然很罕见。购买和安装一个新的专用调光器的成本可以很容易就超过光源本身。因此一个可与现有调光基础设施一起工作的LED照明系统(如基于恩智浦SSL2101构建的系统)，将打开这个具有庞大潜力和空间市场的大门。由于现有的调光器被设计用于白炽灯（近似电阻负载，功率大多在20W和50W之间），因此需要一些额外的电路才能允许它们用于LED照明系统。目前市场上还没有白炽灯调光器标准，因此目前市场上有大量不同性能和参数值的市电调光器。SSL2101是一个采用SO16封装的多芯片模组(MCM)。它包含一个高效率的电源转换器和内部电路来实现市电调光兼容性。与现有解决方案相比，它具有以下优点：集成电源
6、开关。这可减小元器件成本，并确保最优的驱动和开关保护。谷值检测。这一特性可降低转换器损失，因为开关可在最佳的时间点闭合。集成bleeder开关和比较器，这可减少元器件数量和尺寸。智能bleeder操作。SSL2101可检测到何时不需要bleeder操作(如LED链提供足够的负载)，这可减少功耗和增加系统效率。增强的散热引脚设计。这可增加SSL2101的寿命，并允许它在更高的环境温度下正常工作。对于替代解决方案，电子器件在更高温度下的寿命可以是一个关键的参数。基于占空比和转换器开关频率的调光。这允许设计师有更大的自由度去定义参数值。这使得设计师可以通过调节控制调光系统的参数，实现更精确的低亮度调
7、光，以及消除音频变压器噪声。对数调光校正。这使得LED的调光行为可以与白炽灯或卤素灯一模一样。内建的过热保护、过流保护、短路检测和最大占空比限制。这些特性确保了SSL2101的高可靠性，即便在极端工作条件下也是一样。LED照明和太阳能充电的技术挑战及解决方案作为一种既环保又节能的解决方案，LED照明在汽车、家庭、办公楼、酒店、机场和路灯等广泛的应用场合找到了自己的用武之地。但它的大规模商用除了还要克服成本障碍以外，还需要解决调光闪烁、散热、色彩均匀性等技术难题。此外，对清洁能源的关注和太阳能电池板成本的下降，也带动了当前业内的太阳能商用热潮。为了帮助读者更快更好地把握这一商机，本刊特别邀请到了
8、Linear电源专家Tony Armstrong来分享他的独到见解。 Linear电源专家Tony Armstrong问：采用PWM或模拟调光时，如何消除LED的光闪烁现象？ 答：面对高功率、高亮度LED普及率的日益提高，电子照明设计师必须提供高效、准确和简单的LED驱动解决方案。由于高功率照明灯(如汽车前照灯或大型LCD显示器背光源)实现了与商用化串联LED阵列的互换性，因而使得此项任务变得更加困难。 传统上，利用准确的电流来驱动高功率LED串与实现简单性和高效率这两者之间是相抵触的，通常需要采用某种效率低下的线性稳压器方案或更加精细复杂的多IC开关稳压器配置。此外，确保每个LED具有均匀的
9、亮度且不产生任何闪烁也成为了主要的设计障碍。 人们普遍接受的LED亮度控制方法有两种，即模拟调光和PWM数字调光。当采用模拟调光时，LED电流的调节范围在某个最大值至该最大值的约10%之间(10:1调光范围)。由于LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。然而，PWM数字调光方式则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率(通常高于100kHz)在零电流和最大LED电流之间进行切换。该占空比改变了有效平均电流，从而实现了高达3000:1的调光范围(仅受限于最小占空比)。由于LED电流要么处于最大值，要么被关断，所以该方法还具有能够避免发生LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种LED色偏
10、现象是很常见的。 问：大功率LED照明的散热问题应该如何解决？ 答：两种用量最大、功率最高的LED照明应用是大屏幕LCD TV显示器的背面照明和汽车前照灯。您不妨看看Lexus(雷克萨斯)、Audi(奥迪)、甚至GM(通用)公司的Cadillac Escalade所使用的标准LED汽车前照灯。所有这些汽车的总体照明结构均很相似。每个汽车前照灯包括5种专为各种照明要求而优化的LED供电光束，包括：近光灯、远光灯、转弯辅助灯、昼间行驶灯和转向信号指示灯。 标准LED照明光束通常将需要35W至50W的供电功率。这或许看似不是很多的功率；然而，LED提供的亮度却达到了HID卤素灯的10倍，因此LED的
11、光输出就相当于500W的卤素灯。远光灯所需的功率一般与标准照明光束相同或略为高一点，而转弯辅助灯、昼间行驶灯和转向信号指示灯所需的功率则较低。不过，该总体汽车前照灯会消耗200W以上的电能，因而有可能产生重大的热功率耗散问题。这确实不是什么好事，因为随着工作温度的升高，LED的光输出和工作寿命将迅速降低。 处理该散热问题方法有很多种。一种是增加大量的散热器以把热量从照明灯移走。然而，这会产生另一组问题，包括因为散热材料的使用而导致的成本和重量的增加。解决这一问题最有效的方法是采用一个具极高效率的驱动器(效率93%) 来最大限度地减少LED驱动电路的热耗散。这并不像听起来那么困难，原因是一个50
12、W的远光灯通常可由14个串联的1A LED组成。由于整个温度范围内的正向电压降约为每个LED 4V，因此升压转换器LED驱动器拓扑结构能够以93%的效率将12V的标称电池电压提升至刚好超过56V。这使得仅需耗散3.5W的功率，对于该功率耗散值，在安装了LED汽车前照灯的印刷电路板内布设低等级的铜散热器便可轻松地满足要求。 问：用太阳能电池板采集来的电能对蓄电池进行充电时，关键的设计挑战有哪些？ 答：作为在商业和住宅环境中均具实用性的一种发电方法而言，太阳能电池板已经被人们所广泛接受。然而，尽管在技术方面取得了进步，太阳能电池板的造价仍然很昂贵。这种高昂的成本有很大部分来自于电池板本身，这里，电
13、池板的尺寸 (因而也包括其成本) 将随着所需输出功率的增加而增加。因此，为了造就外形尺寸最小、成本效益性最佳的解决方案，最大限度地提升电池板性能是很重要的。 一般而言，太阳能电池板所获取的能量用于给电池充电，电池的储能反过来将在没有阳光照射的情况下为终端应用电路的操作提供支持。如欲实现太阳能电池充电器的最佳设计，则必需对太阳能电池板的特性有所了解。首先，由于具有很大的结合区，因此太阳能电池板会发生泄漏，在黑暗条件下电池将通过电池板放电。而且，每块太阳能电池板都拥有一个具最大功率点的特征IV曲线，所以，当负载特性与电池板特性不相匹配时，能量提取将有所减少。理想的情况是：电池板将在最大功率点上被持
14、续加载，以充分地利用可用的太阳能，并由此最大限度地缩减电池板成本。 一般情况下，可以采用一个与电池板相串联的肖特基二极管来解决电池板的泄漏问题。反向泄漏被减小至一个很低的数值；然而，肖特基二极管的正向电压降 (它在高电流条件下会消耗大量的功率) 仍然会造成能量损失。因此，需要采用昂贵的散热器和精细的布局来把肖特基二极管保持于低温状态。解决该功率耗散问题的一种更加有效方法是用一个基于MOSFET的理想二极管来替代肖特基二极管。这将把正向电压降减小到低至20mV，从而显著地减少功耗，同时降低散热布局的复杂性、外形尺寸和成本。幸运的是，由于已经有一些IC供应商制造出了具有这种规格的理想二极管 (比如
15、：由凌力尔特公司提供的LTC4412)，因此上述目标得以轻松实现。 不过，有两个问题依然存在，即：“至满充电电池的浮动电压控制”和“在最佳发电点给电池板加载”。这些问题常常可以通过采用一个开关模式充电器和一个高效率降压型稳压器来加以解决。 凌力尔特已经开发出了这样一款电路，它由LTC1625 No RESNSE(无检测电阻器)同步降压型控制器、LTC1541微功率运算放大器、比较器和基准、以及LTC4412理想二极管组成。下面给出了该电路以供参考： 图1中的电路被置于太阳能电池板和电池之间，用于调节电池浮动电压。基于LTC1541的附加控制环路强制充电器在最大电池板功率点上运作。这种效率的提升
16、缩减了所需的电池板尺寸，因而降低了总体解决方案的成本。当电池板峰值电源电压和电池电压之间存在失配时，这款电路的重要优点表现得尤为突出。 图1：峰值功率跟踪降压充电器最大限度地提高了效率点击下载清晰大图问：Linear提供了哪些独特的解决方案来解决以上设计挑战？ 答：为了满足LED驱动以及太阳能电池板电池充电器的设计需要，凌力尔特提供了各种各样的产品。LT3595、LT3518和LT3755便是其中一些产品。 此类产品和LED驱动器IC的一个实例是凌力尔特的LT3595降压模式LED驱动器，它具有16个单独的通道，每个通道能够从高达45V的输入来驱动一个由多达10个50mA LED所组成的LED
17、串。每个通道可用于驱动10个串联LED以提供局部调光。于是，每个LT3595都能够驱动多达160个50mA白光LED。一台46英寸LCD TV将需要为每部HDTV配用约10个LT3595。它的16个通道均可以独立控制，并具有一个能够提供高达5000:1 PWM调光比的单独PWM输入。 每个通道只需要一个纤巧的片式电感器和一个甚至更加小巧的陶瓷输出电容器。所需的其他元件仅为单个输入电容器和电流设定电阻器 (图2)。所有16个通道的箝位二极管、电源开关和具补偿功能的控制逻辑电路都被压缩在LT3595的相对较小56引脚、5mm x 9mm QFN封装之内。 图2：一个从45V输入来驱动160个白光L
18、ED的16通道LED驱动器。PWM调光比为5000:1。大多数电池供电型便携式产品均具有一个或多个显示屏，用于向用户传递图形信息。然而，TFT-LCD显示屏 (甚至OLED屏) 的供电需要系统设计师给予特别的关注。为了实现TFT-LCD屏的正确供电，一个DC/DC转换器必需要能够以正确上电和断电排序来提供三个独立的输出电压，即：AVDD、VON和VOFF。凌力尔特认识到了这一点，并开发出了专门针对该用途的专用单片式DC/DC转换器。最新推出的一款器件是我们的LT3513。该转换器具有5个独立受控的稳压器，用于提供一个TFT-LCD屏内部所有必要的电源轨。 其降压型稳压器能够为逻辑电源轨输送高达
19、1.2A的连续输出电流。可以利用LDO控制器和一个外部NPN MOSFET产生一个较低电压辅助逻辑电源。一个高功率升压型转换器 (ISW = 1.5A)、一个较低功率升压型转换器 (ISW = 250mA) 和一个负输出转换器 (ISW = 250mA) 提供了三个独立的输出电压，即：LCD屏通常需要的AVDD、VON和VOFF。一个集成高压侧PNP提供了VON信号的延迟接通，而显示屏保护电路则将在4个输出中的任一个低于其编程输出电压达10%以上时停用VON，从而起到保护TFT-LCD屏的作用。其他特点包括集成肖特基二极管、用于AVDD引脚的PGOOD引脚、输出断接以及用于降压型稳压器的电感器
20、电流检测功能。 LT3755/-1是一款60V、高压侧电流检测DC/DC控制器，专为从一个4.5V至40V的输入电压范围来驱动高电流LED而设计。LT3756/-1采用了相同的设计，但可以从6V至100V的输入来提供至100V的输出。这两款器件的“-1”版本均具备外部同步能力，而标准器件版本则用一个开路LED状态指示器替代了该引脚的功能。这两款器件都非常适合于众多的应用，包括汽车、工业和建筑照明。 对于那些需要高于40V输入电压 (比如：48V电源轨) 的应用，LT3756/-1将是优选的解决方案。LT3755/-1和 LT3756/-1均采用一个外部N沟道MOSFET，并能够从一个12V (
21、标称值) 输入来驱动多达14个1A白光LED，从而提供了50W以上的功率。它们内置了一个高压侧电流检测电路，因而使其能够在升压、降压、降压-升压或SEPIC和反激式拓扑结构中使用。LT3755/-1和 LT3756/-1在升压模式中能提供超过 94% 的效率，从而免除了任何增设外部散热装置的需要。一个频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz的范围内设置频率，因而优化了效率，并最大限度地缩减了外部元件的尺寸和成本。再加上所采用3mm3mm QFN封装或耐热性能增强型MSOP-16E封装，LT3755/-1和 LT3756/-1提供了一款非常紧凑的高功率LED驱动器解决方案。 LT3755/-
22、1和 LT3756/-1均采用了True Color PWM调光，这种调光方式提供了恒定的LED彩色和高达3000:1的调光范围。对于不太苛刻的调光要求，可采用CTRL引脚来提供一个10:1的模拟调光范围。其固定频率、电流模式架构在一个很宽的电源电压和输出电压范围内实现了稳定的操作性能。一个参考于地电压的FB引脚用作多个LED保护功能电路的输入，从而使转换器能够起一个恒定电压源的作用。 受访人：Tony Armstrong产品市场总监电源产品部凌力尔特公司 NXP 15W以下市电输入LED通用照明解决方案NXP开发的SSL152x系列器件是一个开关模式电源（SMPS）控制器IC，可直接接受整流
23、后的通用交流电压输入。它采用高压EZ-HV SOI工艺和低压BiCMOS工艺实现。该系列器件包含一个高压电源开关和一个直接接受整流交流电压的启动电路。 该器件内建了一个专门的谷值开关电路，它使得系统设计师有可能实现一个非常高效率的超薄固态照明应用。 SSL152x可以实现功率高达15W的LED照明应用。对于LED输出功率范围介于15W和25W的应用，SSL1623PH是最佳选择。而当LED输出功率大于25W时，可以使用SSL1750。 在最基本的应用中，SSL152x系列器件用作一个电压源。在这里，不需要系统设计师具备任何额外的辅助电子学知识。它使得可以采用最低成本的外部元件来实现一个融合的电
24、压和电流源。SSL152x系列器件的实现为市电输入LED驱动器提供了一个高效率和低成本的电源系统。 SSL152x系列器件的主要特性包括： 集成的电源开关：SSL1522T（12，650 V）和SSL1523P（6.5，650 V） 专为高达15W输出功率的通用交流输入LED照明应用而设计 直接通用交流电源驱动（80V到276V） 可调节开关频率允许实现更灵活的设计 谷值开关可以实现最小的导通损失 在低功率输出时通过降低开关频率实现低待机功耗（小于100mW） 可调节过流保护、欠压保护、过温保护和短路保护 易于实现带初级反馈和次级反馈（光耦合）的简单应用 提供DIP8和SO14两种封装 该系列
25、器件的主要目标应用包括：1）直接替代白炽灯泡的LED灯泡；2）LED镇流器；3）通道字符照明；4）商业照明，如壁橱或冰箱照明；5）景观轮廓照明；6）其他照明应用。自动调光LED手电筒电路设计由于光输出效率高和寿命长，高亮度LED非常适合用在手电筒中。典型的LED采用恒流驱动，因此当电池电压下降时，手电筒将停止工作。在某些情况下，这可能非常危险。如果在电池电压下降的情况下LED手电筒能自动调暗，那就好用了。就像传统的手电筒一样，用发光亮度调暗来指示低电池电压工作状态，并能持续更长时间的发光。 一般来说，白光LED的正向电压时3V至5V。因此，如果输入电压低于3V，可采用升压转换器驱动LED。图1
26、电路给出了由电池供电、具有自动调光功能的升压转换器电路。 L6920D是一个高效率的升压控制器，仅需很少的外部元件就能将电池电压转换到指定的输出电压或电流。该器件的静态电流仅为10uA。该器件还包含带120-m? P-channel MOSFET的内部同步整流器，可取代传统的升压二极管，提高效率。 在这个电路中， LED电流ILED是电池电压VFB的函数。当电池电压下降时， LED电流下降，这样电池可以持续更长时间，手电筒可以提供调光特性。假设VFB=1.23V(由L6920D确定),则： 如果R5R4，则R5|R4R4，于是有： 最后得到： 图2是根据图1电路中的电阻值计算得到的LED电流曲
27、线。对恒定LED手电筒和自动调光LED手电筒进行了对比，两者都采用两节AAA电池供电，运行时间分别为50和90分钟。自动调光LED的电池使用时间几乎增加了一倍，并在电池电压下降时提供了警告。 图1：利用高效率升压控制器设计的自动调光LED手电筒电路。图2：根据图1电路的电阻值计算得到的LED电流曲线。作者：Jianwen Shao应用工程师Email address: jianwen.shao意法半导体公司LED照明设计需要注意的技术细节LED照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在家庭照明都将得
28、到海量的应用，欧司朗光学半导体公司2008年调查统计，全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。 LED光源的技术日趋成熟，每瓦发光流明迅速增长，促使其逐年递减降价。以1W LED光源为例，2008年春的价格已是2006年春的价格三分之一，2009年春将降至2006年的四分之一。 LED绿色灯具的海量市场和持续稳定数年增长需求将是集成电路行业继VCD、DVD、手机、MP3之后的消费电子市场的超级海啸！ LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。 LED高节能：直流驱动，超低功耗(单管0.03瓦-1 瓦)电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。 LED长
29、寿命：LED光源被称为长寿灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 LED利环保：LED是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 LED光源工作特点 照明用LED光源的VF电压都很低，一般VF =2.75-3.8V，IF在15-1400mA；因此LED驱动IC的输出电压是VF X N或VF X 1, IF恒流在15-1400mA。LED灯具使用的LED光源有小
30、功率(IF=15-20mA)和大功率(IF200mA)二种，小功率LED多用来做LED日光灯、装饰灯、格栅灯；大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等。功率LED光源是低电压、大电流驱动的器件，其发光的强度由流过LED的电流大小决定，电流过强会引起LED光的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。在LED照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择好LED驱动IC至关重要，没有好的驱动IC的匹配，LED照明的优势无法体现。 LED灯具对低压驱动芯片的要求：1. 驱动芯片
31、的标称输入电压范围应当满足DC8-40V，以覆盖应用面的需要，耐压如能大于45V更好；AC 12V或24 V输入时简单的桥式整流器输出电压会随电网电压波动，特别是电压偏高时输出直流电压也会偏高，驱动IC如不能适应宽电压范围，往往在电网电压升高时会被击穿，LED光源也因此被烧毁。2. 驱动芯片的标称输出电流要求大于1.2-1.5A，作为照明用的LED光源，1W功率的LED光源其标称工作电流为350mA，3W功率的LED光源其标称工作电流为700mA，功率大的需要更大的电流，因此LED照明灯具选用的驱动IC必需有足够的电流输出，设计产品时必需使驱动IC工作在满负输出的70-90%的最佳工作区域。使
32、用满负输出电流的驱动IC在灯具狭小空间散热不畅，容易疲劳和早期失效。3. 驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LED光源才能稳定发光，亮度不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用，其输出电流大小要尽可能一致，也就是离散性要小，这样在大批量自动化生产线上生产才能有效和有序；对于输出电流有一定离散性的驱动芯片必选在出厂或投入生产线前分档，调整PCB板上电流设定电阻(Rs)的阻值大小，使之生产的LED灯具恒流驱动板对同类LED光源的发光亮度一致，保持最终产品的一致性。4. 驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热，如将管芯(Die)直接绑定在铜板上，并有一Pin直接延伸到封装外，便于直接焊接在PCB板的铜箔上迅速导热(图1)。如在一个类似4X4mm的硅片管芯上，要长时间通过300-1000mA的电流，必然有功耗，必然会发热，芯片本身的物理散热结构也是至关重要的。5. 驱动芯片本身的抗EMI、噪音、耐高压的能力也关系到整个LED灯具产品能
