高功率驱动IC助LED系统照明跃上新台阶

2013年3月出现很多与发光二极体（LED）相关的新闻事件，这并不是偶然，实际上是源自多年以来业界共同努力的累积以及众多协同技术的突破，让LED产品逐步被市场接受。

　　第一则新闻来自于科锐（Cree），这是一家知名的LED照明和半导体产品製造商。他们推出了一个颠覆传统的LED灯泡系列，并且相信这系列的零售价位将提高其客户的产品接受度。该公司声称新型Cree灯泡系列的设计寿命达25，000小时，零售价格为12.97美元，可用于取代60瓦（W）暖光照明白炽灯泡，其耗电相较于传统白炽灯节省84%。此外，对于消费者来说更重要的是，Cree还声称如果把家中五个最频繁使用的白炽灯泡更换为Cree的LED灯泡，消费者每年能节省的电费高达61美元（折合新台币约1，780元）。

　　不仅如此，Cree还进一步拓展行销通路，让家得宝（The Home Depot）连锁店成为此类LED灯泡的独家供货管道，此举可以确保一般大众能够在离家很近的地方购买这些LED灯泡，并能够得到充足的供应来源。

　　第二则新闻则是着名的旧金山海湾大桥（San Francisco Bay Bridge）的悬挂区块，在过去18个月裡，照明设计公司从桥塔和悬索的顶端到桥面共悬挂两万五千颗LED灯。该专案由一家名为Bay Lights的公司负责推动，该公司创立不断变化和更替的演算法使LED照明充满活力，该公司对每盏灯进行个别控制，让其产生的照明图案在2年的专案期内将是独一无二。照明系统由飞利浦（Philips）子公司色彩动力（Color Kinetics）开发，其设计耗电较传统（非LED型）解决方案减少85%。该专案由Philips Color Kinetics提供的专用LED是具有4，200K相关色温的eW Flex SLX产品。

　　上述这两个事件展现LED照明输出（以每瓦流明（lm/W）来衡量）领域技术的进步，以及因LED灯泡安装寿命长，所带来的年度电能节省效果而带来的商业性。

　　LED灯泡具多重优势　逐步取代CFL/白炽灯泡

　　毫无疑问的，过去10几年来，LED技术获得了长足进展，其亮度更高、效率也愈来愈好、使用时间更长，同时成本亦不断降低，这些都源自散热、封装和工艺的进步。与白炽灯泡不同的是，LED没有灯丝，不会烧坏，并且是发出较冷的光。

　　大功率、高亮度（HB）LED输出光已经超越关键里程碑100lm/W，有的製造商宣布在实验室中已可製造大于230lm/W的输出光。另一个优点是LED的使用寿命长，白色LED灯泡使用寿命至少是5万小时，然而，白炽灯的寿命大约是1，000--2，000小时。

　　LED照明市场快速成长的主要塬因是LED照明耗电相对于传统照明大幅度降低。与白炽灯照明相比，LED照明不到20%的用电量就能够提供同样的亮度（以流明表示）。正如表1所示，LED照明有很多优点，但是也有一些缺点。LED照明的优点包括使用寿命比白炽灯远高出几个层级，大幅度降低换灯泡的成本。 LED灯泡使用旧有的交流硅控整流器（Triode for Alternating Current， TRIAC）调光器便能够调光，这也是LED灯泡一个很大的优势，特别是在取代型灯泡应用中。

　　不仅如此，LED灯能够即时点亮，不像节能萤光灯（CFL）需要预热时间，而LED灯对功率週期不敏感，这也与节能萤光灯不同。最重要的是，LED照明装置不含任何有害材料，所以不须要处理或弃置这些有害物质，而节能萤光灯则採用有害的水银气体才能工作。最后，LED灯泡可以实现非常小的外形封装，而其他灯泡却做不到。

　　以上种种因素造就LED灯泡可用在多种商业应用的优势，例如工厂的顶棚照明、大桥和大楼的室外建筑照明，以及体育场和其他大型活动场地等照明应用。

选择适用驱动IC　LED受损害风险降低

　　LED是一个电气等效（Electrical Equivalent）的二极体，严格说来，它便是由电流驱动的元件。若以合适的电流驱动LED，即可获得一定的发光效率（lm/W）。若供电电流过小，LED灯泡就无法提供全光输出。对于单个LED灯泡而言，这看起来不是大问题，但是如果同时有很多LED灯泡串联起来，在没有均匀的电流支援下，输出光将会有明显的变化。

　　当然，LED灯泡还须要克服固有的正向电压降，这与LED类型以及终端装置的配置有关。对于白光LED，其正向电压降大约是3.5伏特（V），但是在高温时会大一些。结果显示，LED正向电压降与输入电源有关。在不同的LED链配置下，例如，串联（LED正向电压降累积）、并联（LED电流累积），或者串联起来的多个并联链（LED正向电压和电流累积），LED正向电压需要多种转换架构，不过，这将会使整体电路更加复杂。

　　以上简单叙述LED灯泡正常工作时需要什么条件，那么，如果出现对其工作或者驱动积体电路（IC）电流工作有不利影响的因素，结果会如何呢？

　　答案是，会对LED灯输出亮度产生不利影响，甚至导致严重的后果。这些事件包括过压（在开路LED事件时会出现）以及过电流事件（在短路或者重新插拔LED链时会出现）。当然，较差的散热环境也会对LED灯使用寿命产生不利影响，因此，良好的散热设计也非常关键。

　　这就显示了哪些因素会损害LED，甚至导致LED及其驱动电路失效。在这些知识基础上，照明系统设计人员应审慎考量LED灯泡设计技术，特别是LED驱动电路的元件选择标準等，从而保护LED不受损害。以下详述各大关键因素。

　　为LED提供稳定电流

　　LED驱动IC非常关键，因为该元件要面对各种各样的输入电源，随着应用领域的不同，LED驱动IC设计也各不相同，以把输入电源转化成所需要的电压和电流，实现最佳的LED性能。过压或过流都会对LED使用寿命或光输出造成不利影响，因此，电压和电流越稳定，系统就越可靠。所以，±5%範围内的稳压和稳流有利于延长LED使用寿命，减少使用故障。

　　LED驱动电路须应对异常瞬变电压

　　为保护LED不受过压的影响，首先须要求LED驱动IC能够处理比正常工作时更大的瞬变电压。汽车应用环境是一个很好的实例，其负载突降时会达到42伏特，甚至更高。

　　保护LED不受过热影响

　　LED照明装置一般较小，没有空间设置散热片，甚至没有风扇进行空气对流散热，因此，须要通过传导来处理大部分散热需求。业界在设计构思阶段就须要考虑良好的散热功能，在此，使用转换效率非常高的LED驱动IC也会有很大的帮助。驱动IC转换效率愈高，转换的能量损失就愈小，产生的热量也就愈少，因此，效率90%以上的LED驱动IC将有助于实现良好的散热设计。

　　有助于散热的另一个方法，是在LED中採用晶片内温度感测器，如果由系统控制器来监视此温度讯号，那么，控制器便可对系统总电流进行节流，从而减少热量的产生。当然，这样的代价是降低光输出，但这会比整个系统失效好得多。故障状态消失后，便可恢復正常工作。

　　最后，LED所採用的这些散热方法也可以扩展应用到LED驱动IC，在整个系统层级採用这些方法也是个不错的主意。

　　以下以业界高功率LED驱动IC（图1）为例，其具有相当精密的降压升压LED控制器，无论输入电压高于、低于还是等于输出电压，驱动IC都能实现固定输出电压。另外，与复杂低效的单端初级电感转换器（Single-ended Primary Inductor Converter， SEPIC）不同的是，此四路开关同步单电感架构不仅简化了转换器设计，而且还提高工作效率，从而降低热耗。

　　图1 使用高转换效率LED驱动器的100瓦LED驱动电路，峰值效率高达98.5%

　　从图1的100瓦照明驱动IC塬理图可以看出，在整个输入电压範围内，输出电压/电流达到33.3伏特/3安培（A）时的转换效率高达96%。

　　该LED驱动IC的关键特性包括高达60伏特的宽广输入和输出工作电压範围。为能够在灯链上实现最佳和均匀的LED输出光，该颗驱动IC还在线路、负载和温度变化时，提供非常严格的±2%输出电压精度，以及±6%的LED电流精度和±6%输入电流精度。

　　为方便使用，LED驱动IC使用者可採用脉衝宽度调变（PWM）或类比调光，而四路开关升降压架构不仅实现模式之间的无缝转换，而且，在所有的模式中带给 LED的杂讯都非常低，包括VOUT接近于VIN的直通模式，这是很难做到的，尤其在这模式期间会出现负载瞬变事件。另外，为提高系统性能和可靠性，更提供输入和输出电流调节功能。此元件将应用于周围温度变化较大的环境中，因此，高阶LED驱动IC更提供-40℃？+150℃之间的工作接面温度範围。

　　LED效率与其商业价格优势相结合，使其提供超越许多照明应用的特性。本文一开始时提出的两个例子，只是目前世界大量实际应用的一小部分，现在LED照明时代已经来临。