大功率LED 驅動器找到了利基市場
作者：Tony Armstrong / 凌力爾特 電源產品部產品市場總監
前言
大功率 LED 的光輸出已經達到了 100 流明/W 這一關鍵和具有里程碑意義的數值，而且有些製造商聲稱，在實驗室中已經達到了 120 流明/W。這意味著，就能量效率而言，LED 現在已經超過了 CFL (80 流明/W)。不過，據進一步預測，到 2012 年，LED 將達到 150 流明/W 的光輸出。此外，當前所有關注點都集中在“綠色”上，而 LED 不含有任何有害材料，與燈管中含有有毒水銀蒸氣的 CFL 不同，這是 LED 的又一大優勢。
LED 照明的成本一直在非常快速地下降。單個白光二極體 (幾個這樣的二極體組成一個 LED 燈，而且占 LED 燈成本的大部分) 的價格幾年前是 5 美元左右，在過去一年中已經下降到不足 1 美元。很多 LED 行業的分析師預測，在未來一年內，LED 燈取代白熾燈所需費用將達到消費者可接受的水準。有些 LED 製造商聲稱，已經設計出了能為 LED 燈供電的發光晶片，且能使 LED 燈產生可與美國家庭中常見的 75W 白熾燈相媲美的光輸出。為了能達到這樣的光輸出量，這種 LED 晶片通常需要大約 12W 功率。
今天LED 驅動器 IC必須具有的一個關鍵性能特色是能對 LED 充分調光。既然 LED 由恒定電流驅動，而且 DC 電流值與 LED 亮度成正比，那麼要通過控制 LED 電流改變 LED 亮度，就有兩種調光方法。第一種方法是模擬調光，在這種方法中，通過降低恒定 LED 電流值，成比例地降低 LED DC 電流值。降低 LED 電流值可能引起 LED 色彩改變，或導致對 LED 電流的控制不準確。第二種方法是數位或脈衝寬度調製 (PWM) 調光。PWM 調光以等於或高於 100Hz 的頻率在 LED 通斷之間切換，以這樣的頻率變化，人眼察覺不到。PWM 調光的占空比與 LED 亮度成正比，而接通時 LED 電流保持同樣的值 (如 LED 驅動器 IC 設定的那樣)，從而在高調光比時保持了恒定 LED 色彩。在某些應用中，這種 PWM 調光方法可實現高達 10,000:1 的調光比。
尤其是在驅動高亮度 (HB) LED 的情況下，LED 驅動器 IC 必須能在一種既滿足輸入電壓範圍要求、又滿足所需輸出電壓和電流要求的轉換拓撲中，為很多不同類型的LED 配置提供充足的電流和電壓。因此，理想情況下，HB LED 驅動器 IC 應該具有以下特點：
．寬輸出入電壓範圍：高達 100V
．高效率轉換：高達 95%
．嚴格調節的 LED 電流匹配：在整個溫度範圍內小於 2%
．低雜訊、恒定頻率工作：高達 2.5MHz
．獨立的電流和調光控制；
．寬調光範圍比：高達 10,000:1；
包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型和 SEPIC 在內的多種轉換拓撲；
．很多保護功能，例如為保護開路 LED 串、LED 引腳至 VOUT 短路、以及準確的欠壓閉鎖門
．具最少外部組件數的小型緊湊解決方案占板面積
HB LED 舉例
毫無疑問，大部分汽車前燈仍然是白熾燈。不過未來，這種以白熾燈為主導的態勢將面臨來自高強度放電 (HID) 燈和 HB LED 前燈的壓力。HID 燈包括所有用在普通照明應用中的高強度放電燈，如高壓水銀蒸氣燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈和金屬鹵化物燈。普通照明源足夠亮，可在室內、建築物或外部空間中為工作或生活環境提供照明。這包括住宅照明、商業和工業照明、路燈和汽車前燈。HID 氙燈在 90 年代後期首次用作汽車前燈。不過，這種燈的生產和製造非常昂貴，因此它們的使用僅限於高端汽車。展望未來，由於最近推出的 HB LED，此類 HID 氙燈的使用將迅速減少。因此，HB LED 前燈在未來 10 年將有最高的增長率。
可以用 18 個 LED 串聯組成的陣列構成一個 25W 白光 LED 前燈，流經這些 LED 的 350mA 電流產生必要的光輸出。不過，一個主要的障礙是，如何高效率和簡單地驅動這種配置。一種可能的解決方案是，運用淩力爾特公司最近推出的 LT3956 單片 LED 驅動器。LT3956 是一款 DC/DC 轉換器，用來作為恒定電流和恒定電壓穩壓器工作。它非常適用於驅動大電流、高亮度 LED，參見圖 1。
LT3956 具有一個在 3.3A 時額定值為 84V 的內部低端 N 溝道功率 MOSFET，並由一個內部穩定的 7.15V 電源驅動。固定頻率、電流模式架構在寬的電源和輸出電壓範圍內實現穩定工作。一個以地為基準的電壓回饋 (FB) 引腳用作幾種 LED 保護功能的輸入，而且還使該轉換器能作為恒定電壓源工作。頻率調節引腳允許使用者在 100kHz 至 1MHz 範圍內設定頻率，以優化效率、性能或外部元件尺寸。
LT3956 在 LED 串的高端檢測輸出電流。就驅動 LED 而言，高端檢測是最靈活的方法，允許升壓、降壓模式或降壓-升壓模式配置。PWM 輸入提供高達 3000:1 的 LED 調光比，且 CTRL 輸入提供額外的模擬調光功能。
然而，還有其他一些最終市場應用，它們對大功率 HB LED 驅動器有自己獨特的需求，在這類應用中，LED 電流必須高於 10A。這些應用包括 DLP 投影機、鐳射驅動器和建築照明。不過，提供高於 10A 的電流可能引起大量設計問題，這些問題絕不僅限於最終產品本身的熱量管理方面！淩力爾特公司為此開發了一種獨特的 LED 驅動器，以專門應對這類應用中的設計需求。
LT3743 是一款同步降壓型 DC/DC 轉換器，用來提供恒定電流，以驅動大電流 LED。它可以提供高達 20A 的連續 LED 電流，或高達 40A 的脈衝 LED 電流。LT3743 獨特的設計實現了 3 態電流控制，這使該器件非常適用於 DLP 投影機中所需的色彩混合應用。它還提供非常快的 (<2us) 電流轉換時間以優化色彩混合解析度，且在鐳射驅動器應用中允許非常快的電流脈衝。
LT3743 的 5.5V 至 36V 輸入電壓範圍使它非常適用於種類繁多的應用，包括工業、DLP 投影和建築照明。LT3743 從標稱 12V 的輸入提供高達 20A 的連續 LED 電流，從而提供超過 80W 的功率。在脈衝型 LED 應用中，它可以從 12V 輸入提供高達 40A 的 LED 電流或 160W 的峰值功率。高達 95% 的效率無需任何外部散熱器，並極大地簡化了熱設計。頻率調節引腳使使用者能在 100kHz 至 1MHz 的範圍內設定頻率，因此，設計師可以優化效率，同時最大限度地減小外部元件尺寸。結合 4mm x 5mm QFN 或耐熱增強型 TSSOP-28 封裝，LT3743 可提供非常緊湊的大功率 LED 驅動器解決方案。圖 2 是該器件的典型應用原理圖。
LT3743 提供 PWM 和 CTRL_SELECT 調光，從而在 3 種 LED 電流值上實現 3000:1 的調光能力，非常適用于諸如 DLP 投影機中所需要的那類色彩混合應用。類似地，LT3743 獨特的拓撲使它能在不到 2us 的時間內在兩個穩定的 LED 電流之間轉換，從而在 RGB 應用中實現更準確的色彩混合。該器件保持 ±6% 的 LED 電流準確度，以確保最準確的 LED 光輸出量。其他特點包括輸出電壓調節、開路 LED 保護、過流保護和過熱降額電路。
結論
儘管 HB LED 驅動器所必需的性能特點能羅列出很多，但是由 LED 驅動器驅動的 LED 必須能從可能最低的功率提供光輸出的必要流明，並且不致引起明顯的熱設計限制。就大功率 HB LED 產品的設計師而言，幸運的是，既有高效率 LED、又有驅動這些 LED 的高性能 LED 驅動器可用。
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