万众瞩目的大功率、高亮度 LED 驱动器

凌力尔特公司
电源产品部
产品市场总监
Tony Armstrong

背景

LED 是一种半导体器件，当被施加正向偏置电压时将发出非相干窄谱光，从而产生一种电致发光的现象。换句话说，固态磷光体在电场作用下，将电能直接转换成了光。所发光的颜色取决于所用半导体材料的化学组成，可能接近紫外、可见或红外光。

过去几年，LED 技术取得了很大进步。在散热、封装和工艺方面的改进导致了更高的亮度、更高的效率、更长的寿命和更低的成本。与白炽灯不同，LED 没有会烧坏的灯丝，而且工作时往往温度较低。此外，白炽灯有 95% 能量是以热量形式浪费掉的。

大功率或高亮度 (HB) LED 的光输出已经超过了每瓦 100 流明 (即 100 lm/W) 这一具有里程碑意义的关键数值。实际上，有些制造商已经宣布，在实验室中实现了 200 lm/W。那么显然，就发光有效性而言，LED 已经超过了白炽灯 (一个典型的 60W 白炽灯的光输出为 15 lm/W)。或者换一种说法，发光有效性指的是，一个光源的光输出量 (以流明为单位) 与产生该光输出量所消耗的功率 (以瓦为单位) 之比。即使如此，人们仍然预计，在未来一年内，将在市场上轻而易举地得到具 150 lm/W 光输出的 LED。另一个好处是 LED 的寿命。视计算方法的不同而不同，白光 LED 灯至少具有 5 万小时的寿命，有些甚至声称长达 10 万小时，而白炽灯的寿命仅为 1200 小时至 1500 小时左右。

高亮度 LED 照明的成本也在迅速下降。几年前，单个白光二极管 (几个这样的二极管组成一个 LED 灯，并占 LED 灯成本的大部分) 的价格约为 4 美元，现在已经下降为不到 1 美元了。LED 业界的很多分析师预测，在未来一年中，取代白炽灯的 LED 灯价格将达到消费者可接受的程度。一些 LED 制造商宣布，已经设计出能让 LED 灯产生的光输出与 75W 白炽灯相媲美的发光芯片，而 75W 白炽灯在大多数家庭中都很常见。这类 LED 芯片通常仅需要约 9W 功率，就能使 LED 灯产生同等于 75W 白炽灯的光输出量。

今天，LED 驱动器 IC 必须具有的一个关键性能特点是能充分地对 LED 灯调光。因为 LED 是用恒定电流驱动的，而 DC 电流值与 LED 亮度成正比，那么要改变 LED 的亮度，就有两种通过控制 LED 电流来调光的方法。第一种方法是模拟调光，采用这种方法时，通过降低恒定的 LED 电流值，成正比地降低 LED 的 DC 电流。降低 LED 电流可能引起 LED 色彩变化，或者导致对 LED 电流的控制不准确。第二种方法是数字或脉冲宽度调制 (PWM) 调光。PWM 调光以等于或高于 100Hz 的频率接通和断开 LED，以这样的频率开关，人眼是察觉不到的。PWM 调光的占空比与 LED 的亮度成正比，而接通时 LED 电流保持相同的值 (如 LED 驱动器 IC 所设定的那样)，从而在高调光比时，保持 LED 色彩不变。在某些应用中，这种 PWM 调光方法可以在高达 30,000:1 的调光比情况下使用。

尤其是在驱动高亮度 (HB) LED 的情况下，LED 驱动器 IC 必须能以一种既满足输入电压范围又满足所需输出电压及电流要求的转换拓扑，为很多不同类型的 LED配置提供足够的电流和电压。因此，在理想情况下，高亮度 LED 驱动器 IC 应该具有以下特点：

1、宽输入电压范围：高达 100V
2、宽输出电压范围：高达 100V
3、高效率转换：高达 98%
4、对 LED 电流匹配进行严格调节：在温度范围内变化少于 2%
5、低噪声、恒定频率工作：高达 2.5MHz
6、独立电流和调光控制
7、宽调光比：高达 30,000:1
8、多种转换拓扑，包括降压型、升压型、降压-升压型和 SEPIC
9、很多保护功能，例如对 LED 串开路、LED 引脚至 VOUT 短路提供保护，以及准确的欠压闭锁门限
10、小型和占板面积紧凑的解决方案，需要最少的外部组件

高亮度 LED 举例

毫无疑问，大部分汽车前灯仍然是白炽灯。不过，这种主导地位将来会受到来自高强度放电 (HID) 灯和高亮度 LED 前灯的压力。HID 灯包括所有用在普通照明中的高强度放电灯，例如高压水银蒸气灯、高压钠灯、低压钠等和金属卤化物灯。为室内、建筑物或外部空间等工作或生活环境照明，一般照明源足够亮了。这类照明应用包括住宅照明、商用和工业照明、路灯以及汽车前灯。HID 氙灯于上世纪 90 年代首先引入在汽车前灯中。不过，这类灯的生产制造成本非常高，因此其使用一直仅限于高端汽车。未来，由于最近推出的高亮度 LED，这类 HID 氙灯的使用会迅速减少。因此，高亮度 LED 前灯在未来 10 年将有最大的增长。

汽车照明系统设计师面临的最大障碍之一是：如何优化由这最新一代 LED 提供的所有功能和益处。因为 LED 一般需要一个准确和高效率的电流源以及一种调光方法，所以 LED 驱动器 IC 必须设计为在多种工作条件下满足这些要求。此外，LED 驱动器 IC 的电源解决方案必须是高效率、坚固和可靠的，同时还要非常紧凑和具有成本效益。

可以说，就驱动 LED 而言，最苛刻的应用之一将是汽车前灯系统 (由远光灯、近光灯、白天行车灯、雾灯和转向信号灯组成)，因为这些灯既经受着严酷的汽车电气环境，同时又必须适应多种温度条件的变化。而且它们还必须总是能放入非常受限的空间中，总是具有富有吸引力的成本结构。