LED照明的操作要求对驱动器IC性能构成压力

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作者:凌力尔特公司产品市场工程师 Jeff Gruetter

白光 LED 照明应用的加速发展对大电流 LED 驱动器 IC 产生了许多特殊的性能要求。 在最大限度地提升效率和坚固性的同时尽可能地降低用户所承担的过渡性成本。


对于照明系统设计师而言,面临的最大挑战之一是如何优化最新一代 LED 的所有好处。由于 LED 通常需要一个准确而高效的 DC 电流源和一种调光方法,因此必须以满足众多应用中的上述要求为目标来设计 LED 驱动器 IC。电源解决方案必须具有高效率、坚固性、紧凑性和成本效益性。


高电压 AC 电源是白炽灯、荧光灯和 HPS 灯泡的首选,而 LED 则往往代之以一个低得多的 DC 电压源 (通常仅为 8V 至 72V,取决于应用及 LED 配置)。不过,大多数新型设计将从 12V 至 24V DC 输入获取工作电压,而某些翻新设计将采用一个 12V AC 输入。


为了确保最佳的性能和长工作寿命,LED 需要有效的驱动电路。这些驱动电路必须要能够采用一个宽松地调节的工作电源,并兼具成本和空间效益性。为了保持其长久的工作寿命,一定不得超过 LED 的电流和温度限值。


LED 驱动器向 LED 串提供恒定电流也很重要 (这与输入电压的变化无关),旨在保持恒定的光输出和色彩。为此,常常需要一种恒定频率、电流模式 LED 驱动器拓扑结构。与电压模式控制相比,电流模式控制改善了环路动态特性,并为 LED 提供了逐周期电流限制和一个恒定的电流。最后,LED 驱动器必须提供超过 90% 的效率,以最大限度地降低外部散热要求并保持照明系统的高效率。

图 1 示出了由单个 LED 驱动器 IC 驱动的典型 50W LED 串。该设计可采用多种不同的配置来实现。可以将 LED 布置成一种 50W 点光源配置的单阵列,以取代一个 125W 荧光灯或 HPS 灯,它们的光输出均与一个 500W 卤素灯泡相当,而发热量只是后者非常小的一部分。除了节能之外,这种设计还将提供即时接通能力、更加清澈的光色以及对 LED 进行快速和准确调光的能力。或者,也可以把 LED 配置成具有多达 14 个 4W LED 的导轨灯 (track lamp)。每盏灯所提供的光输出将与一个 40W 卤素灯相当,而光色则与之不相上下或者更好,并降低了非常灼热的卤素灯泡所固有的燃烧风险。同样,它也可以取代多个荧光灯泡。

 
图 1:一款 50W LED 升压电路

LT3756 是由凌力尔特提供的驱动器 IC,它包含高端电流检测电路,从而使其能够用于升压、降压、降压-升压或 SEPIC 和反激式拓扑结构中。在本例中,该 IC 工作于升压模式,可提供高于 94% 的效率,因而免除了任何增设散热装置的需要并最大限度地减少了热问题。


LT3756 具有一个 6V 至 100V 的输入电压范围,并能从一个标称值为 12V 的输入驱动多达 14 个 1A 白光 LED,从而提供超过 50W 的功率。当采用一个 24V 输入时,该器件可为多达 20 个 LED 供电,从而总共提供 75W 的 LED 功率。一个频率选择引脚允许用户在 100kHz 至 1MHz 的范围内对频率进行编程,在优化效率的同时也最大限度地缩减了外部组件的尺寸和成本。


    此外,LT3756 还采用了 True Color PWMTM 调光,这种调光方法以宽达 3000:1 的调光范围提供恒定的 LED 色彩。对于不那么苛刻的调光要求而言,CTRL 引脚可用来提供一个 10:1 的模拟调光范围。其固定频率、电流模式架构在宽电源和输出电压范围内实现了稳定的运作。一个以地为基准的电压 FB 引脚用作几种 LED 保护功能的输入,从而使该转换器可以作为一个恒定电压源来工作。

工业照明
    为了凸显工业 LED 照明相比于曾经最高效的 HPS 照明所具备的优势,我们可以一家炼油厂为例做一番研究。在这家炼油厂里,1,000 多个 250W HPS 灯具被相同数量、由 LT3755 运转的 100W 白光 HB-LED 灯具所取代 (见图 2)。由于这些灯每周 7 天、每天 24 小时不间断地处于接通状态,因此第一个重要的好处就是能量需求下降了 60%,意味着每年将节约成本 16.4 万美元 (以每度电 0.10 美元来计算)。这种节省可以大幅度地增加,因为 LED 灯具不需要任何的预热时间,而且能够以“即时接通”的方式工作。于是,通过在不需要的时候关掉照明灯或采用运动控制传感器来避免照明灯全天候运行,炼油厂可以节省更多的电能。

 

图 2:炼油厂在左侧采用白光 LED 照明,而在右侧采用高压钠 (HPS) 灯照明

另一个重要的好处是光输出的质量。由图 2 可见,炼油厂的左侧部分采用LED 照明并提供了纯正的全光谱白光,在这种照明条件下辨别物体要比在 HPS 灯光环境中 (右侧) 容易得多。HPS 灯所发出的光几乎全部处在色谱的橙色区域,因而使得色彩的分辨非常困难。在炼油厂里这一点尤为关键,因为在视觉上区分产生自某种燃烧物烟雾的蒸汽非常重要。另外,准确解读色码配线和有色标牌的能力也很重要,即使在低光照条件下也不例外。


最后,由于工作寿命长达 10 万小时,因此在全天候工作的情况下白光 LED 的使用期限将超过 11 年,而 HPS 灯则每一年或两年就必需更换一次。与目前的 HPS 照明相比,这进一步降低了 HB LED 的总长期成本。

结论
    白光 LED 照明应用在工业/住宅普通照明中空前的加速发展对大电流 LED 驱动器 IC 产生了许多性能要求 —— 在最大限度地提升效率和坚固性的同时尽可能地降低用户所承担的过渡性成本。这些 LED 驱动器必须提供恒定的电流以保持一致的亮度 (这与输入电压或 LED 正向电压的变化无关),以高效率运作并提供宽广的调光比范围。相关应用还要求非常紧凑、具高散热效率的焊脚布局。LED 驱动器设计师已经设计出了旨在满足所有这些要求的 IC。