照明用LED驱动器需求和解决方案分析.doc

1、照明用 LED 驱动器需求和解决方案分析作 为 固 态 光 源 的 发 光 二 极 管 (LED)的 大 量 涌 现 ， 使 白 炽 灯 日 益 落 寞 。 在 过 去 几 年 中 ， LED技 术 已 经 有 了 极 大 进 步 ， 在 散 热 、 封 装 和 工 艺 技 术 方 面 的 进 步 使 得 LED 有 了 更 高 的 亮 度 、更 高 的 效 率 、 更 长 的 寿 命 和 更 低 的 成 本 。 然 而 ， 在 能 量 转 换 效 率 、 热 量 管 理 和 生 产 成 本 方 面 ， LED 仍 然 有 进 一 步 提 升 的 空 间 。 例如 ， LED 效 率 就 已

2、经 获 得 了 极 大 的 提 高 。 LED 的 众 多 改 进 源 自 现 在 能 在 芯 片 内 更 好 地 产生 光 ， 以 及 有 更 好 的 方 法 从 芯 片 及 其 封 装 中 获 得 光 源 。 同 样 地 ， 20mA 白 光 LED 的 售 价已 经 大 幅 降 低 ， 这 种 LED 刚 推 出 时 ， 批 购 报 价 为 1 美 元 。 而 目 前 有 可 能 以 不 到 30 美 分的 批 购 价 买 到 20mA 的 白 光 LED。 LED 照 明 应 用 需 求 分 析 当 然 ， 所 有 这 些 进 步 不 仅 促 进 了 LED 在 不 同 应 用 中 作

3、 为 照 明 光 源 的 使 用 ， 同 时 也 刺 激 了对 LED 驱 动 器 IC 的 需 求 。 要 了 解 设 计 和 制 造 LED 驱 动 器 IC 面 临 哪 些 障 碍 ， 就 必 须 了 解白 光 LED 要 发 光 需 要 哪 些 条 件 。 白 光 LED 必 须 用 一 个 恒 定 电 流 源 驱 动 ， 这 样 白 色 光 点 才不 会 变 化 (也 就 是 亮 度 必 须 一 致 )。 另 外 ， 既 然 白 光 LED 是 一 个 二 极 管 ， 那 么 就 必 须 克 服它 内 部 的 正 向 压 降 (Vf)。 Vf 随 着 白 光 LED 电 流 值 的

4、不 同 而 不 同 ， 也 会 随 着 温 度 的 变 化 而 变化 。 一 般 情 况 下 ， 在 整 个 工 作 温 度 范 围 内 ， 20mA 白 光 LED 的 Vf 在 2.5V 至 3.9V 的 范 围内 变 化 。 大 多 数 应 用 都 使 用 多 个 白 光 LED， 而 且 还 可 能 将 这 些 LED 配 置 成 并 联 、 串 联 或串 并 联 混 合 形 式 。 这 意 味 着 白 光 LED 驱 动 器 IC 必 须 能 够 为 特 定 配 置 的 多 个 LED 提 供 足够 的 电 流 和 电 压 ， 而 且 这 种 IC 所 采 用 的 电 压 转 换 拓

5、 扑 必 须 同 时 满 足 输 入 电 压 范 围 和 输 出电 压 与 电 流 的 要 求 。 LED 的 常 见 应 用 包 括 汽 车 和 飞 机 仪 表 盘 的 显 示 和 指 示 、 交 通 信 号 灯 、 手 机 、 平 板 显 示 器背 光 源 、 矿 工 灯 、 建 筑 和 露 天 大 型 体 育 场 照 明 等 ， 而 目 前 和 未 来 几 年 内 ， LED 市 场 增 长的 最 大 驱 动 力 来 自 平 板 显 示 器 的 背 光 照 明 需 求 。 这 些 显 示 器 采 用 LCD 屏 ， 用 于 电 视 机 、导 航 系 统 、 便 携 式 媒 体 播 放 器

6、 、 数 字 广 告 牌 和 计 算 机 监 视 器 。 不 过 ， 采 用 LED 面 临 热 量管 理 的 技 术 挑 战 。 尽 管 LED 不 像 其 它 光 源 那 样 辐 射 那 么 多 热 量 ， 但 是 根 据 输 出 功 率 的 不同 ， 一 些 LED 也 许 需 要 合 适 的 散 热 器 ， 这 样 光 输 出 才 不 会 减 少 ， 寿 命 也 不 会 缩 短 。 例 如 ，光 输 出 为 25lm 的 高 亮 度 LED 一 般 所 消 耗 的 功 率 超 过 1W。 这 意 味 着 白 光 LED 驱 动 器 IC必 须 以 高 效 率 进 行 转 换 ， 这 样

7、 它 才 能 不 成 为 热 问 题 的 主 要 成 因 。 另 外 ， 在 很 多 情 况 下 都 存在 空 间 受 限 问 题 ， LED 驱 动 解 决 方 案 必 须 占 板 面 积 小 ， 而 且 外 形 尺 寸 小 。 以 手 机 为 例 ， 今 天 大 多 数 手 机 都 有 内 置 数 码 相 机 ， 能 够 拍 摄 高 分 辨 率 照 片 和 视 频 。 相 机 性能 的 提 高 也 导 致 对 大 功 率 白 色 光 源 的 需 求 ， 相 机 在 室 内 或 在 昏 暗 环 境 中 需 要 使 用 这 样 的 光源 ， 白 光 LED 已 经 成 为 相 机 手 机 的

8、主 要 光 源 。 因 为 白 光 LED 拥 有 多 种 现 代 手 机 设 计 师 所希 望 的 特 点 ： 尺 寸 小 、 高 光 输 出 ， 能 够 提 供 “闪 光 ”和 对 “视 频 ”对 象 连 续 照 明 。 目 前 已 经 专门 为 集 成 式 相 机 照 明 开 发 了 高 输 出 功 率 LED。 便 携 式 产 品 照 明 解 决 方 案 尽 管 用 大 功 率 LED 产 生 可 见 光 很 简 单 ， 但 是 如 果 不 对 已 有 设 计 进 行 改 进 ， 要 形 成 高 性 能电 源 和 电 流 控 制 解 决 方 案 却 非 常 困 难 的 。 凌 力 尔

9、特 公 司 的 LTC3454 是 一 种 新 产 品 ， 专 门用 于 在 大 电 流 相 机 照 明 应 用 中 提 高 电 源 转 换 效 率 和 准 确 度 ， 并 优 化 对 LED 电 流 的 控 制 。 图 ： 基 于 LTC3783 的 大 功 率 PWM LED 驱 动 电 路 LTC3454 是 一 种 同 步 降 压 -升 压 型 DC/DC 转 换 器 ， 为 用 单 节 锂 离 子 电 池 输 入 以 高 达 1A的 电 流 驱 动 单 个 大 功 率 LED 而 优 化 。 该 器 件 视 VIN 与 LED 正 向 电 压 之 间 关 系 的 不 同 ， 自动 在

10、 同 步 降 压 、 同 步 升 压 和 4 开 关 降 压 -升 压 模 式 之 间 转 换 。 在 整 个 可 用 锂 离 子 电 池 电 压范 围 内 (2.74.2V)可 实 现 高 于 90%的 PLED/PIN 效 率 。 几 乎 所 有 由 电 池 供 电 的 便 携 式 产 品 都 采 用 彩 色 有 源 矩 阵 LCD 来 显 示 用 户 所 需 的 信 息 和 数据 。 不 过 ， 制 造 商 却 面 临 着 一 种 挑 战 ， 即 需 要 确 保 用 户 在 任 何 环 境 中 都 能 从 这 样 的 显 示 器上 看 到 信 息 。 为 了 实 现 这 个 目 标 ，

11、制 造 商 必 须 提 供 背 光 照 明 强 度 合 适 的 彩 色 LCD。 这 种背 光 照 明 一 般 是 由 白 光 LED 提 供 的 。 因 而 ， 产 生 紧 凑 、 高 效 率 和 低 噪 声 的 LED 供 电 解决 方 案 需 求 。 凌 力 尔 特 公 司 目 前 已 经 提 供 了 大 量 白 光 LED 驱 动 器 IC 解 决 方 案 。 这 些 解 决 方 案 或 者 使 用低 噪 声 无 电 感 器 DC/DC 转 换 器 (更 为 常 见 的 叫 法 是 电 荷 泵 )， 或 者 使 用 DC/DC 转 换 器 ，这 两 种 转 换 器 的 主 要 差 别

12、是 是 否 需 要 电 感 器 (磁 性 元 件 )。 无 电 感 器 DC/DC 转 换 器 非 常 适用 于 空 间 受 限 应 用 ， 在 这 种 应 用 中 ， 必 须 提 供 低 至 中 等 大 小 的 负 载 电 流 。 此 外 ， 这 种 转 换器 采 用 小 型 封 装 ， 需 要 非 常 少 的 外 部 组 件 ， 通 常 仅 需 要 3 个 陶 瓷 电 容 器 。 大 多 数 升 压 型DC/DC 转 换 器 都 进 行 了 专 门 设 计 ， 以 便 为 白 光 LED 背 光 照 明 提 供 高 效 率 和 恒 电 流 驱 动 。 LTC3208 是 一 种 无 电 感

13、 器 、 大 电 流 、 软 件 可 配 置 的 多 显 示 屏 LED 控 制 器 ， 可 以 驱 动 17个 LED。 该 器 件 含 有 一 个 1A 的 高 效 率 、 低 噪 声 电 荷 泵 ， 为 主 、 副 、 RGB、 相 机 和 辅 助LED 显 示 屏 供 电 。 LTC3208 具 有 高 达 95%的 效 率 和 I2C 串 行 接 口 ， 给 用 户 带 来 的 益 处 有更 长 的 电 池 寿 命 、 简 单 的 2 线 微 控 制 器 接 口 等 。 LT3486 是 一 种 双 通 道 、 1.3A 白 光 LED升 压 型 转 换 器 ， 具 有 宽 调 光

14、范 围 ， 专 门 为 用 单 节 锂 离 子 电 池 以 恒 定 电 流 驱 动 多 达 16 个LED(每 个 转 换 器 驱 动 8 个 串 联 的 LED)而 设 计 。 高 亮 度 LED 驱 动 解 决 方 案 高 端 电 视 机 、 工 业 照 明 应 用 、 汽 车 导 航 显 示 屏 和 投 影 机 的 LCD TFT 背 光 照 明 可 能 采 用 高亮 度 (HB)和 超 亮 LED。 这 类 LED 常 见 的 应 用 领 域 是 仪 表 板 背 光 照 明 、 内 部 照 明 ， 以 及 很多 轿 车 和 卡 车 的 刹 车 灯 。 豪 华 汽 车 制 造 商 越 来

15、 越 多 地 利 用 最 新 的 固 态 LED 照 明 技 术 来 提高 未 来 车 型 的 美 感 ， 用 这 些 更 轻 、 更 小 和 更 耐 用 的 器 件 实 现 内 部 和 外 部 照 明 。 很 明 显 ， 与用 白 炽 灯 照 明 相 比 ， LED 有 很 多 优 点 ， 例 如 LED 有 望 降 低 长 期 成 本 并 具 有 较 长 的 寿 命 。 不 过 ， 以 大 电 流 驱 动 LED 要 求 DC/DC 转 换 器 准 确 调 节 电 流 ， 以 确 保 一 致 的 光 强 和 颜 色一 致 性 并 保 护 LED。 此 外 ， 还 有 一 个 重 大 挑 战

16、 ， 即 用 可 能 低 于 、 等 于 或 高 于 负 载 电 压 的电 池 电 压 为 1 个 或 几 个 LED 串 供 电 。 另 一 个 引 起 关 注 的 问 题 是 以 大 调 光 比 高 效 率 地 对 这些 LED 调 光 ， 与 此 同 时 还 要 在 低 亮 度 和 高 亮 度 时 保 持 这 些 LED 的 颜 色 特 性 不 变 。 最 后 ，一 个 至 关 重 要 的 要 求 是 ， DC/DC 驱 动 器 要 高 效 率 工 作 ， 尤 其 是 在 驱 动 HB LED 时 更 是 这样 ， 因 为 所 有 未 转 化 成 光 的 功 率 都 转 化 成 热 量

17、消 耗 掉 了 。 用 汽 车 电 池 驱 动 LED 时 ， 要 求 DC/DC 转 换 器 准 确 调 节 LED 电 流 ， 以 确 保 一 致 的 光 强 和颜 色 一 致 性 ， 并 保 护 LED。 此 外 ， 视 LED 的 用 途 不 同 ， DC/DC 稳 压 器 还 应 该 为 特 定 电源 要 求 而 优 化 。 这 里 的 重 大 挑 战 也 是 用 可 能 低 于 、 等 于 或 高 于 负 载 电 压 的 电 池 电 压 为 1个 或 几 个 LED 串 供 电 。 需 要 关 注 的 问 题 也 是 以 大 调 光 比 高 效 率 地 对 LED 调 光 ， 与

18、此 同 时在 低 亮 度 和 高 亮 度 时 保 持 这 些 LED 的 颜 色 特 性 不 变 。 DC/DC 驱 动 器 要 以 高 效 率 工 作 也 是至 关 重 要 的 要 求 ， 尤 其 是 驱 动 HB LED 时 ， 原 因 与 上 述 相 同 ， 未 转 化 成 光 的 功 率 都 转 化成 热 量 浪 费 掉 了 。 LTC3783 是 一 种 电 流 模 式 、 多 种 拓 扑 转 换 器 ， 具 有 恒 定 电 流 PWM 调 光 能 力 ， 适 用 于 驱动 大 功 率 LED 串 和 LED 组 。 该 器 件 采 用 专 有 技 术 ， 具 有 极 快 的 PWM

19、 负 载 切 换 速 度 ， 而且 无 瞬 态 欠 压 或 过 压 问 题 。 LTC3783 能 以 数 字 方 式 实 现 3,000:1 的 调 光 比 (在 100Hz 时 )，因 为 True Color PWM 调 光 能 够 保 证 白 光 和 RGB LED 的 颜 色 一 致 性 。 使 用 模 拟 控 制 方 式时 ， LTC3783 还 可 实 现 100:1 的 附 加 调 光 比 。 这 种 调 光 能 力 很 重 要 ， 因 为 人 眼 对 环 境 光线 的 微 小 变 化 极 度 敏 感 。 这 个 通 用 控 制 器 可 用 作 升 压 、 降 压 、 降 压

20、-升 压 、 SEPIC 或 反 激式 转 换 器 ， 以 及 用 作 恒 流 /恒 压 调 节 器 。 无 RSENSE 工 作 模 式 利 用 MOSFET 的 接 通 电 阻 ，无 需 电 流 检 测 电 阻 ， 提 高 了 效 率 。 LTC3873 的 典 型 应 用 如 下 图 所 示 。 LT3475 是 一 个 双 通 道 36V、 2MHz 的 降 压 型 DC/DC 转 换 器 ， 用 作 恒 流 LED 驱 动 器 ， 每通 道 提 供 高 达 1.5A 的 LED 电 流 。 采 用 内 部 检 测 电 阻 和 调 光 控 制 使 该 器 件 非 常 适 用 于 驱 动

21、大 电 流 LED。 LT3475 可 在 50mA 至 1.5A 的 宽 电 流 范 围 内 保 持 高 输 出 电 流 准 确 度 ， 同 时独 特 的 True Color PWM 电 路 可 实 现 3,000:1 的 调 光 范 围 。 LT3475 具 有 4V 至 36V 的 宽 输 入 电 压 范 围 ， 可 调 节 从 4 节 碱 性 /镍 镉 /镍 氢 金 属 电 池 和 5V逻 辑 电 压 轨 到 未 稳 压 的 墙 上 变 压 器 和 汽 车 电 源 系 统 的 多 种 电 源 。 其 开 关 频 率 可 在 200kHz至 2MHz 的 范 围 内 设 置 ， 因 此 允 许 使 用 纤 巧 的 电 感 器 和 陶 瓷 电 容 器 ， 同 时 还 可 避 开 一 些 关键 频 带 (如 AM 广 播 频 带 )。 LT3475 可 为 驱 动 两 个 或 4 个 大 电 流 LED 组 成 非 常 紧 凑 的 解 决方 案 。 Tony Armstrong 产 品 行 销 经 理 电 源 产 品 部 凌 力 尔 特 公 司