| 引言
在本文中，我想談一談 LED，例如為什么 LED 燈將成為首選照明源、怎樣為 LED 燈供電以及怎樣保護 LED 燈免受各自解決方案中有害因素的影響。LED 照明應用包括高頂燈照明、建筑照明、室外路燈照明、以及甚至用來取代 75W 白熾燈。
不過我認為，為慎重起見，在我們開始探討這些有關 LED 的問題之前，應該先考慮幾個基本問題：
- 究竟為什么使用 LED 燈? LED 照明成本是白熾燈的 13 倍，那么哪些優勢使 LED 照明如此富有吸引力?
- LED 燈需要用什么系統供電? 事情可不是將一個 LED 燈擰到現有白熾燈燈具中那么簡單。那么，正確安裝 LED 燈并為其供電必須達到哪些要求?
- 哪些因素對 LED 燈以及 LED 驅動器電路有負面影響?
LED 需要什么?
與白熾燈不同，LED 燈不是“加熱器”，白熾燈本質上是個電阻器，LED 本質上則是個二極管。因此，LED 需要相對嚴格的穩定電流和電壓，這一般由 LED 燈驅動器電路提供。不過這種電路容易出現開路或短路情況，因此設計時必須小心，以防止這類情況的發生。另外高溫對 LED 燈的可用光輸出也有負面影響，因此設計 LED 驅動器電路及電路安裝方法時也要小心。
白熾燈可以直接接受 AC 電源電壓，與此不同，LED 需要穩定的 DC 電壓和電流。因此，視電源不同而不同，可能需要 AC 至 DC 轉換。無論何時，只要發生轉換，事情就總是有可能出錯。在很多情況下，這類故障可能有損于甚至毀掉 LED 驅動器電路，而沒有了驅動器電路，LED 本身不可能發光！因此，必須提供能夠防止這類故障發生的 LED 驅動器電路。所以， 本身納入 LED 保護功能的驅動器是非常有用的。本文稍后將提供一些內置保護功能的 LED 驅動器 IC 的例子，用這些驅動器 IC，LED 燈可以獲得很長的使用壽命。
LED 及其他解決方案
表 1 顯示了對 LED、CFL 及白熾燈的比較結果。表中突顯部分有助于您快速識別相應光源特性的好處和優勢。
正如表中所示，LED 燈的主要特點之一是高效率。當光輸出為每瓦 80 流明時，LED 燈的電源效率至少是白熾燈的 8 倍。或者換一種說法，LED 燈僅用相當于白熾燈 1/8 的電功率，就可提供同樣的光輸出。這等于在整個使用期內節省了能耗成本。現在看一下表中所列的壽命，可以看到，LED 燈的使用壽命至少是白熾燈的 50 倍。因此，到一定時間，LED 燈較高的初始成本就由其能耗成本的降低抵消了。為說明方便，假定只替換普通家庭中 5 個最常用的照明燈，那么在不到一年時間內，能耗成本降低就可以抵消較高的初始成本。當然，使用 LED 燈還有其他一些好處，例如 LED 燈不含有害材料并且沒有故障模式 (如電源設計能夠正確地為 LED 燈供電并提供保護) 。
表 1：LED、CFL和白熾燈光源比較
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光源特性
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LED
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CFL
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白熾燈
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效率 (流明/瓦)
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80 至 180
未來 >200
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40 至 70
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10 至 15
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所用電量 (單位：瓦)
(等效于 60W 燈)
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8 - 10
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13 - 15
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60
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壽命 (小時)
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>50K
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2K 至 10K
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1K 至 2K
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驅動器電源
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DC
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AC
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離線式 AC
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TRIAC 可調光
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是
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否
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是
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即時接通
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是
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否
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是
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功率因數
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無 PFC 時為 0.5
有 PFC 時 >0.90
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0.5
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1
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對電源周期敏感
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否
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是
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是
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含有害的水銀
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否
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是
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否
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故障模式
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無
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有，可能著火、冒煙
或發出異味
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有一些
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60W (或等效) 燈的價格
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13 美元
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3 美元
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1 美元
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LED 的維護和供電
正如已經提到的那樣，LED 在電特性上相當于二極管。因此，LED 是一種電流驅動器件。只要給 LED 提供合適的電流，就可以使 LED 提供規定的光輸出。相應地，提供較小的電流會限制 LED 提供的光輸出量。對于單個 LED 而言，這也許不是什么大事。但是，如果由很多 LED 串聯形成 LED 串，而且這些 LED 的電流大小不一致，那么光輸出就會有很大和非常明顯的變化。
當然，還必須克服 LED 固有的正向壓降，該壓降視所用 LED 類型以及燈具系統最終配置的不同而有所分別。對于一個典型的白光 LED 而言，這一正向壓降通常為 3.5V 左右，不過當溫度升高時，會變得略高一些。因此，視輸入電源的不同而不同，可能需要多種轉換拓撲。LED 串有各種不同的配置，包括串聯 (LED 正向壓降相加)、并聯 (LED 電流相加) 或串并聯組合 (LED 正向壓降及其電流都相加)，這使問題進一步復雜化了。
到現在為止，我們已經談到了 LED 正確工作需要哪些保證，但是哪些事情可能對 LED 及其驅動器電路的工作產生負面影響? 答案是，很多事情都可能對 LED 輸出產生負面影響，甚至使 LED 發生災難性故障。這些事情包括：過壓，通常在 LED 開路時發生；過流，通常在短路或重新插入 LED 串時發生。當然，如前面所述，熱環境不佳也可能對 LED 的使用壽命造成負面影響，因此良好的整體熱設計也是至關重要的。此外，為防遺忘，這里再強調一次，LED 驅動器電路也很重要，因此設計該電路時同樣需要小心謹慎，以使該電路能夠保護自己、保護 LED，避免受到開路、短路和熱環境欠佳的影響。但所有的這些問題，在大多數汽車、航空電子和工業環境中是很常見。
給 LED 供電的關鍵是正確提供嚴格調節的電流。正是在這里，LED 驅動器電路發揮了關鍵作用，因為無論輸入電源是什么樣的 (輸入電源變化范圍會很大，因為應用的范圍很廣)，驅動器電路都必須接受，并將其轉換為使 LED 性能最優化所需的電壓和電流。因為隨時間變化，過壓或過流可能對 LED 壽命或其光輸出產生負面影響，所以電壓和電流的調節越嚴格，系統就越堅固。因此，提供 ±5% 的電壓和電流調節對無故障地實現長的工作壽命而言是很有益處。
另一個關鍵標準是提供過壓保護。因此，先決條件是，LED 驅動器電路能夠應對高于正常工作所要求的較高瞬態電壓情況。一個很有說服力的例子是汽車環境，這種環境中的負載突降可能達到 42V，或甚至更高。
保護 LED 免受過熱影響更加富有挑戰性。LED 燈具常常很小、很緊湊，幾乎沒什么散熱途徑，而且可能沒有風扇增加空氣流動，提供冷卻。因此大部分熱量不得不通過傳導來散出。這樣一來，在設計階段必須考慮良好的散熱。此外，LED 驅動器電路若能以非常高的轉換效率工作也會非常有幫助，因為轉換效率越高，以轉換功耗形式產生的熱量越少。因此，具備 90% 以上效率的 LED 驅動器對于良好的熱設計是極有幫助。
另一種有助于減少熱量的有趣方式是，在 LED 驅動器電路上采用一個內置溫度傳感器，這樣一來，如果有一個系統微控制器監視這個溫度信號，那么就可以在需要時停止整個系統運行，以降低電流，產生較少熱量。當然，這么做的代價是降低了光輸出，但是這總好于讓整個系統發生故障。一旦故障情況消失，就可以恢復正常運行。
當然，老話說得好，適用于此者亦適用于彼。因此，以上探討針對 LED 的實用方法推廣開來，同樣也適用于 LED 驅動器電路。而將這些方法納入整個系統中，是一個非常好的想法。
LED 驅動器解決方案
既然我們已經探討了給 LED 供電需要達到哪些要求，必須采取哪些措施保護 LED，才能使 LED 保持很長的壽命和不出現故障，那么我想再花一些時間，展示幾款 LED 驅動器 IC，這些 IC 整合了很多上述保護機制。
第一個例子是 LT3795，這是一款基于升壓型拓撲的 LED 驅動器，該驅動器還提供一些特殊功能以提高性能。第一種特殊功能稱為擴展頻譜頻率調制，這種調制方法可為系統時鐘引入高頻抖動以降低噪聲層。第二種特殊功能是短路保護。與降壓型轉換器不同，面向升壓型轉換器的短路保護并不容易實現。對降壓型轉換器而言，由于其降壓型拓撲以及 VIN 與 VOUT 之間的開關，所以短路保護功能是固有的。對于一個升壓型轉換器而言，要提供短路保護，必須在 LED 串上方增加一個斷接 FET，如圖 2 中的 M2 所示。這種 P 溝道 MOSFET 為監視流經其自身的電流創造了條件，因為如果發生短路，流經 M2 的電流就會迅速升高。這有可能毀壞下游 LED 串中的 LED。為了防止毀壞情況發生，我們必須監視 LED 的電流，電流監視可用 LED 上方的檢測電阻 RLED 實現。因此，當發生短路時，為了保護 LED，M2 必須迅速斷開。盡管迅速斷開并不容易實現，因為必須在不到 1us 的時間內完成，但是 LT3795 做到了，如圖 1 所示。
圖 1：LT3795 的短路電流示波圖
在圖 1 中，上部的曲線是流經 LED 串的電流，中部的曲線是流經 P-MOS 的電流。底部的曲線代表軌之間的瞬態短路狀態。正如圖中所示，LT3795 斷開 P-FET，其電流僅在 500ns 時間內即上升至 12A 峰值，從而保護了 LED 串發生過流情況。如果沒有這么迅速的響應，該電流可能上升至高達 50A。
圖 2：具輸入限流及擴展頻譜頻率調制的 LT3795 升壓型 LED 驅動器
第二個想要展示的 LED 驅動器 IC 是 LT3797。這是一款多拓撲三輸出 LED 驅動器，具集成的軌至軌電流檢測放大器，電壓范圍為 0V 至 100V。這 3 個通道每一個的工作模式都可以配置為降壓型、升壓型或 SEPIC，輸出之間都可以自主運行。
這款 IC 增加了幾項功能以提供額外的系統保護，顯然，保護功能之一是，通道以升壓模式工作時的短路保護。然而，該 IC 還納入了開路 LED 保護，這是由 FBH 電壓反饋引腳提供的。LT3797 具 2.5V 至 40V 寬輸入范圍，非常適合工業、航空電子、醫療及汽車 LED 照明應用。此外，因為該 IC 是一款控制器，所以可提供數安培的電流范圍。
圖 3 顯示了配置為三輸出升壓型 LED 驅動器的 LT3797，3 個通道的每一個都是升壓型控制器。正如圖中所示，每個 LED 串上方都放置了 P-MOS MOSFET 和檢測電阻器。因此，像 LT3795 一樣，當發生短路情況時，該 IC 可以迅速斷接 LED 串，防止 LED 串被損壞。
與 LT3795 的另一個類似之處是，LT3797 允許打嗝模式閉鎖以重啟各個通道。通過增加或去掉 VREF 與 SS 引腳之間的 R13，可以非常容易地設定短路保護模式的重啟。
圖 3：配置為 3 輸出升壓型 LED 驅動器的 LT3797
結論
希望您愉快地度過了這次 “怎樣給 LED 燈及其驅動器電路供電并提供保護” 的旅程。正如本文所示，設計一個完整系統時，有很多因素需要考慮，包括電壓、電流及熱量限制。不過，已有一些 IC 可以減輕設計負擔，為滿足設計需求提供了方便，同時優化了所有性能參數。 |
