电子工程师LED供电电源的设计思路

了解到来自单个通量分档的LED光输出会有±3%到±10%的容差之后，系统工程师可能会因此得出结论：驱动电流容差值必须是越严格越好。然而从统计学角度来看，该观点并不正确。一个常见的但不正确的假设是：任何值的整体容差都等于最坏条件下各值的简单累加。为LED供电的电流源的容差和LED光通量的容差是互不相关的 - 它们在最初阶段就已相互独立。对于不相关的两个因子X和Y，整体容差Z并不是X和Y的容差之和，而是应该利用下述表达式进行计算：

表2和图3给出了整体容差和假设电流源容差的对比情况，此时假设LED光输出在350mA的区域内随前向电流呈线性变化。

表2 整体容差和假设电流源容差的对比情况。

图3：整体容差和假设电流源容差的对比情况。

根据方程(1)可以发现，最低容差因子的作用大于其他，而且实际的整体容差值要远优于各个因子在最坏情况下的容差和，尤其是当其中一个因子远好于其他因子时。由图3可知，电流源容差的最合理目标是将其控制在LED光输出的容差范围内。请记住：出于成本考虑，许多灯具会使用来自不同分档的LED。表3列出了相同LED所具有的最高两档、三档、四档光通量分档下的容差值。

表3 相同LED所具有的最高两档、三档、四档光通量分档下的容差值

调光控制

LED制造商和他们的分销伙伴正努力地改进产品的光通量容差，在合理的成本范围内提供更细的分档。对于那些希望产品可使用5年或50,000个小时，并在使用期内保持整体光输出不变的设计师而言，即使想满足最密集的通量分档和设定0.1%的容差电流源也很难实现。因为热量和随着时间延长而产生的性能衰减等两个重要因素会降低LED的光通量，即使电流源容差和LED光通量容差都达到0.001%也无法解决该问题。考虑到这些损耗，高质量固态照明产品设计师必须找到具有额外反馈回路的电源，也即找到热量和光源。为此需要进行调光控制，那些可以对输出电流进行线性控制和PWM控制的集成电路便成为最佳选择。

例如，美国国家半导体的LM3409和LM3424都是LED驱动器控制IC，它们是适用于半导体照明的第二代电流源。两款产品均可通过可变电阻器或电压源来控制平均的LED电流值，并且可为PMW调光信号提供专门的输入信号。除了线性控制回路外，LM3409和LM3424的模拟调节功能也令系统设计师可以在权衡输出电流精度及尺寸、成本和电流检测电阻的功耗间做出自己的选择。图4所示的LM3409/09HV控制降压电路，是功率LED驱动器中最常用的电路模式。图5中的LM3424可以作为升压稳压器LED驱动器，也可以作为降压/ 升压、SEPIC、反激式甚至是“悬浮”降压电路。

图4：LM3409/09HV降压LED驱动器

图5：LM3424升压LED驱动器

需要光控制的应用领域

路灯是一个很好的光源示例，因为它有严格的法定标准限制。对于公路用路灯，欧盟国家规定了其最小和最大的光输出及照明模式。对于符合此规定并提供五年或更长使用寿命的LED路灯来说，设计时必须考虑到热量引起的即时光通量损失，以及更长时间下性能下降带来的通量损失。

一种很自然的方法是使用光传感器，比如构成线性控制回路的光电二极管。在系统启用的第一天，就应该只使用整体可用驱动电流的一部分，这样做是考虑到随着时间推移，驱动电流将慢慢增至一个上限，籍此保证光输出恒定。可以将光电二极管偏置，并转换为一路脉宽调制信号，这将有助于在调光范围内维持更加恒定的相对色温，其线性控制回路更加简单，一般而言调光范围也比较小。根据不同的时间、运动传感器或其他节省功耗的措施，对光输出进行控制时，PWM控制将更加有用。

本文小结

输出电流精度只是评价LED驱动器性能的一个方面，但是当LED本身的光通量容差保持在远高于±1%的水平时，即使对电流源容差和数字处理器中电压轨的容差要求一样严格，也几乎没有任何意义，平均LED电流容差应当几乎等于光通量容差。本文基于单个分档的误差探讨了一种理想情况，并给出了一些实际的例子，这些例子使用两个或更多分档的LED，其容差也可更轻松地达到±5%、±10%或更高。在额外的控制回路中，应该将成本开销用于1%的电流控制，并可将电力用在更高的检测电压方面。