照明用LED驅動器需求和解決方案分析

　　作為固態(tài)光源的發(fā)光二極管(LED)的大量涌現(xiàn)，使白熾燈日益落寞。在過去幾年中，LED技術已經(jīng)有了極大進步，在散熱、封裝和工藝技術方面的進步使得LED有了更高的亮度、更高的效率、更長的壽命和更低的成本。

　　然而，在能量轉換效率、熱量管理和生產(chǎn)成本方面，LED仍然有進一步提升的空間。例如，LED效率就已經(jīng)獲得了極大的提高。LED的眾多改進源自現(xiàn)在能在芯片內(nèi)更好地產(chǎn)生光，以及有更好的方法從芯片及其封裝中獲得光源。同樣地，20mA白光LED的售價已經(jīng)大幅降低，這種LED剛推出時，批購報價為1美元。而目前有可能以不到30美分的批購價買到20mA的白光LED。

LED照明應用需求分析

　　當然，所有這些進步不僅促進了LED在不同應用中作為照明光源的使用，同時也刺激了對LED驅動器IC的需求。要了解設計和制造LED驅動器IC面臨哪些障礙，就必須了解白光LED要發(fā)光需要哪些條件。白光LED必須用一個恒定電流源驅動，這樣白色光點才不會變化(也就是亮度必須一致)。另外，既然白光LED是一個二極管，那么就必須克服它內(nèi)部的正向壓降(V_f)。V_f隨著白光LED電流值的不同而不同，也會隨著溫度的變化而變化。一般情況下，在整個工作溫度范圍內(nèi)，20mA白光LED的V_f在2.5V至3.9V的范圍內(nèi)變化。大多數(shù)應用都使用多個白光LED，而且還可能將這些LED配置成并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)混合形式。這意味著白光LED驅動器IC必須能夠為特定配置的多個LED提供足夠的電流和電壓，而且這種IC所采用的電壓轉換拓撲必須同時滿足輸入電壓范圍和輸出電壓與電流的要求。

　　LED的常見應用包括汽車和飛機儀表盤的顯示和指示、交通信號燈、手機、平板顯示器背光源、礦工燈、建筑和露天大型體育場照明等，而目前和未來幾年內(nèi)，LED市場增長的最大驅動力來自平板顯示器的背光照明需求。這些顯示器采用LCD屏，用于電視機、導航系統(tǒng)、便攜式媒體播放器、數(shù)字廣告牌和計算機監(jiān)視器。不過，采用LED面臨熱量管理的技術挑戰(zhàn)。盡管LED不像其它光源那樣輻射那么多熱量，但是根據(jù)輸出功率的不同，一些LED也許需要合適的散熱器，這樣光輸出才不會減少，壽命也不會縮短。例如，光輸出為25lm的高亮度LED一般所消耗的功率超過1W。這意味著白光LED驅動器IC必須以高效率進行轉換，這樣它才能不成為熱問題的主要成因。另外，在很多情況下都存在空間受限問題，LED驅動解決方案必須占板面積小，而且外形尺寸小。

　　以手機為例，今天大多數(shù)手機都有內(nèi)置數(shù)碼相機，能夠拍攝高分辨率照片和視頻。相機性能的提高也導致對大功率白色光源的需求，相機在室內(nèi)或在昏暗環(huán)境中需要使用這樣的光源，白光LED已經(jīng)成為相機手機的主要光源。因為白光LED擁有多種現(xiàn)代手機設計師所希望的特點：尺寸小、高光輸出，能夠提供“閃光”和對“視頻”對象連續(xù)照明。目前已經(jīng)專門為集成式相機照明開發(fā)了高輸出功率LED。

便攜式產(chǎn)品照明解決方案

　　盡管用大功率LED產(chǎn)生可見光很簡單，但是如果不對已有設計進行改進，要形成高性能電源和電流控制解決方案卻非常困難的。凌力爾特公司的LTC3454是一種新產(chǎn)品，專門用于在大電流相機照明應用中提高電源轉換效率和準確度，并優(yōu)化對LED電流的控制。

圖：基于LTC3783的大功率PWM LED驅動電路

　　LTC3454是一種同步降壓-升壓型DC/DC轉換器，為用單節(jié)鋰離子電池輸入以高達1A的電流驅動單個大功率LED而優(yōu)化。該器件視V_IN與LED正向電壓之間關系的不同，自動在同步降壓、同步升壓和4開關降壓-升壓模式之間轉換。在整個可用鋰離子電池電壓范圍內(nèi)(2.7~4.2V)可實現(xiàn)高于90%的P_LED/P_IN效率。

　　幾乎所有由電池供電的便攜式產(chǎn)品都采用彩色有源矩陣LCD來顯示用戶所需的信息和數(shù)據(jù)。不過，制造商卻面臨著一種挑戰(zhàn)，即需要確保用戶在任何環(huán)境中都能從這樣的顯示器上看到信息。為了實現(xiàn)這個目標，制造商必須提供背光照明強度合適的彩色LCD。這種背光照明一般是由白光LED提供的。因而，產(chǎn)生緊湊、高效率和低噪聲的LED供電解決方案需求。

　　凌力爾特公司目前已經(jīng)提供了大量白光LED驅動器IC解決方案。這些解決方案或者使用低噪聲無電感器DC/DC轉換器(更為常見的叫法是電荷泵)，或者使用DC/DC轉換器，這兩種轉換器的主要差別是是否需要電感器(磁性元件)。無電感器DC/DC轉換器非常適用于空間受限應用，在這種應用中，必須提供低至中等大小的負載電流。此外，這種轉換器采用小型封裝，需要非常少的外部組件，通常僅需要3個陶瓷電容器。大多數(shù)升壓型DC/DC轉換器都進行了專門設計，以便為白光LED背光照明提供高效率和恒電流驅動。

　　LTC3208是一種無電感器、大電流、軟件可配置的多顯示屏LED控制器，可以驅動17個LED。該器件含有一個1A的高效率、低噪聲電荷泵，為主、副、RGB、相機和輔助LED顯示屏供電。LTC3208具有高達95%的效率和I²C串行接口，給用戶帶來的益處有更長的電池壽命、簡單的2線微控制器接口等。LT3486是一種雙通道、1.3A白光LED升壓型轉換器，具有寬調(diào)光范圍，專門為用單節(jié)鋰離子電池以恒定電流驅動多達16個LED(每個轉換器驅動8個串聯(lián)的LED)而設計。

高亮度LED驅動解決方案

　　高端電視機、工業(yè)照明應用、汽車導航顯示屏和投影機的LCD TFT背光照明可能采用高亮度(HB)和超亮LED。這類LED常見的應用領域是儀表板背光照明、內(nèi)部照明，以及很多轎車和卡車的剎車燈。豪華汽車制造商越來越多地利用最新的固態(tài)LED照明技術來提高未來車型的美感，用這些更輕、更小和更耐用的器件實現(xiàn)內(nèi)部和外部照明。很明顯，與用白熾燈照明相比，LED有很多優(yōu)點，例如LED有望降低長期成本并具有較長的壽命。

　　不過，以大電流驅動LED要求DC/DC轉換器準確調(diào)節(jié)電流，以確保一致的光強和顏色一致性并保護LED。此外，還有一個重大挑戰(zhàn)，即用可能低于、等于或高于負載電壓的電池電壓為1個或幾個LED串供電。另一個引起關注的問題是以大調(diào)光比高效率地對這些LED調(diào)光，與此同時還要在低亮度和高亮度時保持這些LED的顏色特性不變。最后，一個至關重要的要求是，DC/DC驅動器要高效率工作，尤其是在驅動HB LED時更是這樣，因為所有未轉化成光的功率都轉化成熱量消耗掉了。

　　用汽車電池驅動LED時，要求DC/DC轉換器準確調(diào)節(jié)LED電流，以確保一致的光強和顏色一致性，并保護LED。此外，視LED的用途不同，DC/DC穩(wěn)壓器還應該為特定電源要求而優(yōu)化。這里的重大挑戰(zhàn)也是用可能低于、等于或高于負載電壓的電池電壓為1個或幾個LED串供電。需要關注的問題也是以大調(diào)光比高效率地對LED調(diào)光，與此同時在低亮度和高亮度時保持這些LED的顏色特性不變。DC/DC驅動器要以高效率工作也是至關重要的要求，尤其是驅動HB LED時，原因與上述相同，未轉化成光的功率都轉化成熱量浪費掉了。

　　LTC3783是一種電流模式、多種拓撲轉換器，具有恒定電流PWM調(diào)光能力，適用于驅動大功率LED串和LED組。該器件采用專有技術，具有極快的PWM負載切換速度，而且無瞬態(tài)欠壓或過壓問題。LTC3783能以數(shù)字方式實現(xiàn)3,000:1的調(diào)光比(在100Hz時)，因為True Color PWM調(diào)光能夠保證白光和RGB LED的顏色一致性。使用模擬控制方式時，LTC3783還可實現(xiàn)100:1的附加調(diào)光比。這種調(diào)光能力很重要，因為人眼對環(huán)境光線的微小變化極度敏感。這個通用控制器可用作升壓、降壓、降壓-升壓、SEPIC或反激式轉換器，以及用作恒流/恒壓調(diào)節(jié)器。無R_SENSE工作模式利用MOSFET的接通電阻，無需電流檢測電阻，提高了效率。LTC3873的典型應用如下圖所示。

　　LT3475是一個雙通道36V、2MHz的降壓型DC/DC轉換器，用作恒流LED驅動器，每通道提供高達1.5A的LED電流。采用內(nèi)部檢測電阻和調(diào)光控制使該器件非常適用于驅動大電流LED。LT3475可在50mA至1.5A的寬電流范圍內(nèi)保持高輸出電流準確度，同時獨特的True Color PWM電路可實現(xiàn)3,000:1的調(diào)光范圍。

　　LT3475具有4V至36V的寬輸入電壓范圍，可調(diào)節(jié)從4節(jié)堿性/鎳鎘/鎳氫金屬電池和5V邏輯電壓軌到未穩(wěn)壓的墻上變壓器和汽車電源系統(tǒng)的多種電源。其開關頻率可在200kHz至2MHz的范圍內(nèi)設置，因此允許使用纖巧的電感器和陶瓷電容器，同時還可避開一些關鍵頻帶(如AM廣播頻帶)。LT3475可為驅動兩個或4個大電流LED組成非常緊湊的解決方案。

Tony Armstrong

產(chǎn)品行銷經(jīng)理

電源產(chǎn)品部

tarmstrong@linear.com

凌力爾特公司