當(dāng)前能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來面臨的重要的問題，在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時代。作為未來照明的發(fā)展趨勢，LED大規(guī)模進(jìn)入室內(nèi)照明的進(jìn)程是怎樣的？在當(dāng)前眾多LED室內(nèi)照明產(chǎn)品中，LED燈泡是重要形式之一。根據(jù)拓產(chǎn)業(yè)研究所對照明燈泡市場的相關(guān)研究，燈泡市場短期內(nèi)至少到2017年以前，都是傳統(tǒng)光源，白熾燈、熒光燈以及新光源如LED燈泡等共同主導(dǎo)市場。LED燈泡仍需歷經(jīng)一段時間代換各種主流的傳統(tǒng)及節(jié)能光源，目前LED燈泡仍處在市場導(dǎo)入階段。

　　雖然大功率LED現(xiàn)在還不能大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈，但它們在室內(nèi)外裝飾、特種照明方面有著越來越廣泛的應(yīng)用，因此掌握大功率LED恒流驅(qū)動器的設(shè)計技術(shù)，對于開拓大功率LED的新應(yīng)用至關(guān)重要。LED按照功率和發(fā)光亮度可以劃分為大功率LED、高亮度LED及普通LED.一般來說，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W.

　　恒流驅(qū)動和提高LED的光學(xué)效率是LED 應(yīng)用設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題，本文首先介紹大功率LED的應(yīng)用及其恒流驅(qū)動方案的選擇指南，然后以美國國家半導(dǎo)體（NS）的產(chǎn)品為例，重點討論如何巧妙應(yīng)用LED恒流驅(qū)動電路的采樣電阻提高大功率LED的效率，并給出大功率LED驅(qū)動器設(shè)計與散熱設(shè)計的注意事項。

　　驅(qū)動芯片的選擇

　　LED驅(qū)動只占LED照明系統(tǒng)成本的很小部分，但它關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的可靠性。目前，美國國家半導(dǎo)體公司的LED驅(qū)動方案主要定位在中高端LED照明和燈飾等市場。燈飾分為室內(nèi)和室外兩種，由于室內(nèi)LED燈所應(yīng)用的電源環(huán)境有AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器兩種方式，所以驅(qū)動芯片的選擇也要從這兩方面考慮。

　　1. AC/DC轉(zhuǎn)換器

　　AC-Alternating current 是交流的意思 ,DC-Direct current 是直流的意思，AC/DC變換是將交流變換為直流，AC/DC轉(zhuǎn)換器就是將交流電變?yōu)橹绷麟姷脑O(shè)備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為"整流",功率流由負(fù)載返回電源的稱為"有源逆變".AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化。

　　AC/DC分為220V交流輸入和12V交流輸入。12V交流電是酒店中廣泛應(yīng)用的鹵素?zé)舻碾娫?，現(xiàn)有的LED可以在保留現(xiàn)有交流12V的條件下進(jìn)行設(shè)計。針對替代鹵素?zé)舻脑O(shè)計，美國國家半導(dǎo)體LM2734的主要優(yōu)勢是體積小、可靠性高、輸出電流高達(dá)1A,恰好適合鹵素?zé)魺艨谥睆叫〉奶攸c。

　　取代鹵素?zé)糁?，LED燈一般做成1W或3W.LED燈與鹵素?zé)粝啾扔袃纱髢?yōu)勢：（1）光源比較集中，1W照明所獲得的亮度等同于十幾瓦鹵素?zé)舻牧炼龋虼吮容^省電；（2） LED燈的壽命比鹵素?zé)糸L。

　　LED燈的主要弱點是燈光的射角太窄，成本相對較高。但從長遠(yuǎn)來看，由于LED燈的壽命較長，所以還是具有非常大的成本優(yōu)勢。220V AC/DC轉(zhuǎn)換器（例如LM5021）主要鎖定舞臺燈和路燈市場。

　　2. DC/DC轉(zhuǎn)換器

DC/DC是開關(guān)電源芯片。開關(guān)電源，指利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關(guān)（MOSFET等）進(jìn)行高頻開關(guān)的動作，將輸入的電能儲存在電容（感）里，當(dāng)開關(guān)斷開時，電能再釋放給負(fù)載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關(guān)導(dǎo)通時間與整個開關(guān)的周期的比值）有關(guān)。開關(guān)電源可以用于升壓和降壓。我們常用的DC-DC產(chǎn)品有兩種。一種為電荷泵（Charge Pump），一種為電感儲能DC-DC轉(zhuǎn)換器。

　　目前，LED設(shè)計行業(yè)存在對特種行業(yè)的需求認(rèn)識不足的問題，設(shè)計中常采用一些不切實際的、新奇的設(shè)計方案。例如，將LED燈和電池一起嵌入頭盔，卻沒有考慮到礦燈特殊使用環(huán)境的各種需求，這可能是造成LED在礦燈市場的應(yīng)用一直沒有打開局面的重要原因。

　　對于礦燈LED應(yīng)用，美國國家半導(dǎo)體提供了豐富的DC/DC穩(wěn)壓器產(chǎn)品，包括LM3485、LM3478和LM5010.已經(jīng)用戶采用一顆1W的LED燈，周圍再放6顆普通的高亮度LED燈，構(gòu)成一種具有特殊閃爍功能的礦燈。

　　總而言之，LED燈在燈飾和特種照明行業(yè)有著廣泛的發(fā)展前景，國家半導(dǎo)體為此提供完整的新型LED驅(qū)動解決方案。

　　高效的恒流驅(qū)動電路

　　恒壓供電的基本電路采用反饋電阻RFB1和RFB2,當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時，VFB也隨之變化，DC/DC穩(wěn)壓器通過感知VFB的變化，使輸出電壓維持在一個固定的電平：

　　V0=（VFB*（RFB1+RFB2））/RFB1 （1）

　　DC/DC穩(wěn)壓器的FB是高阻輸入端，流經(jīng)LED的電流IF為：

　　IF=VFB/RFB （2）

　　為保持IF恒定，DC/DC穩(wěn)壓器感知VFB,然后調(diào)整LED正端電壓，使流經(jīng)LED的電流保持恒定。這就是利用DC/DC穩(wěn)壓器FB反饋端實現(xiàn)恒壓到恒流轉(zhuǎn)換的原理。

　　一般來說，DC/DC穩(wěn)壓器對VFB的變化有一個感知的范圍，一旦LED選定，其工作電流IF的大小也就確定了，所選的電阻要保證VFB落在DC/DC穩(wěn)壓器容許的范圍內(nèi)。

　　以VFB等于1.25V為例，假設(shè)IF分別為15mA、350mA和700mA,采樣電阻的功耗將分別小于20mW、400mW和800mW.對于1W的LED來說，采樣電阻的功耗分別占到總電源消耗的2%、40%和80%.因此，采樣電阻的設(shè)計對提高LED的功效至關(guān)重要，它應(yīng)該選取盡可能小的數(shù)值。

　　由于直接將RFB連接FB端會造成RFB的功耗過大，所以在FB端和RFB之間放置一個運算放大器，以放大RFB采集到的電壓VTAP。

　　IF=VTAP/RFB=（VFB/RFB）*（1+RF/RI） （3）

　　通常，1W大功率LED的典型工作電流為350mA,如果選擇RFB等于1歐姆，則RFB的功耗為：

　　PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W （4）

　　考慮運算放大器本身的功耗，RFB及其附屬電路的功耗大約為1W LED功率的12%.這樣就能在確保LED獲得恒流供電的同時，將RFB的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓盡可能大，流經(jīng)的電流也盡可能大。國家半導(dǎo)體按照這個原理工作的穩(wěn)壓器有LM2736和LM2734.

　　LM2734是1A降壓型穩(wěn)壓器?；贚M2734的恒流驅(qū)動電路利用LM321運算放大器獲取采樣電阻Rset上的電壓，結(jié)合其它電阻和電容就可以構(gòu)成一個完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動電路。在實際使用中，有些LED恒流驅(qū)動電路可以直接從采樣電阻獲取反饋電壓。

　　采樣電阻Rset決定了恒流驅(qū)動電路的設(shè)計，而且對整個系統(tǒng)的效率有重要影響，因此仔細(xì)設(shè)計Rset對節(jié)省能源至關(guān)重要。詳細(xì)設(shè)計文件請向國家半導(dǎo)體當(dāng)?shù)厥跈?quán)分銷商索取。

　　一般來說，如果要求LED驅(qū)動電流的變化不超過標(biāo)稱值的5%至10%,那么采用為2%的電阻就足夠了。LED驅(qū)動電流的典型波動范圍是正負(fù)10%.由于采樣電阻消耗的功率較大，應(yīng)避免使用功率較小的貼片電阻。此外，LM3478方案適用于多個大功率LED的恒流驅(qū)動，而基于LM5021的恒流驅(qū)動設(shè)計方案則針對220V AC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

　　恒流驅(qū)動與散熱的考慮

　　就電子系統(tǒng)設(shè)計而言，工程師在設(shè)計LED恒流驅(qū)動電路時首先要了解LED的恒流參數(shù)。目前LED芯片的制造商很多，國內(nèi)外LED的差異主要在于相同電參數(shù)的情況下，流明數(shù)可能不同，因此設(shè)計工程師要清楚地認(rèn)識到LED功率并不是決定發(fā)光效率的參數(shù)。例如，同樣是1W的LED,有的LED可以達(dá)到40流明的亮度，而有的只能達(dá)到20流明的亮度，這是因為LED光學(xué)效率還取決于材料和制作工藝等諸多環(huán)節(jié)。

　　有些設(shè)計工程師為提高發(fā)光效率而采取加大驅(qū)動電流的辦法，例如，對于同一顆1W LED,加大驅(qū)動電流后，亮度可以從20流明提高到40流明，但是LED的工作溫度也相應(yīng)升高了。一旦溫度超過LED的限溫點，就會影響LED的壽命和可靠性，這是設(shè)計恒流驅(qū)動過程中需要注意的重要問題。

　　此外，LED照明系統(tǒng)的光學(xué)效率不僅僅取決于LED恒流驅(qū)動方案，還與整個系統(tǒng)的散熱設(shè)計密切相關(guān)。為縮小體積，某些LED恒流驅(qū)動系統(tǒng)將LED驅(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)計，這樣容易影響可靠性。

　　一般來說，LED照明系統(tǒng)的熱源基本就是LED燈本身的熱源，熱源太集中會產(chǎn)生熱損耗，因此LED驅(qū)動電路不能與散熱系統(tǒng)緊貼在一起。建議采取下列散熱措施：LED燈采用鋁基板散熱；功率器件均勻排布；盡可能避免將LED驅(qū)動電路與散熱部分貼近設(shè)計；抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗；提高LED芯片的散熱順暢性以降低熱阻抗。

　　新應(yīng)用對驅(qū)動器的要求

　　大功率LED是指擁有大額定工作電流的發(fā)光二極管。普通LED功率一般為0.05W、工作電流為20mA,而大功率LED可以達(dá)到1W、2W、甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。由于目前大功率LED在光通量、轉(zhuǎn)換效率和成本等方面的制約，因此決定了大功率白光LED短期內(nèi)的應(yīng)用主要是一些特殊領(lǐng)域的照明，中長期目標(biāo)才是通用照明。我國雖有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發(fā)光體，散熱問題解決了，所用LED數(shù)量要很多，小功率LED光衰強，安裝成本高；城市照明LED路燈采用大功率LED是發(fā)展的趨勢，少數(shù)用大功率LED作發(fā)光體的路燈產(chǎn)品由于沒有很好地解決功率達(dá)到一定量時，LED的散熱問題；LED的散光和聚光控制問題；路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問題；光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題。因此產(chǎn)品性能還不盡如人意；高性能的產(chǎn)品價位又居高不下，難以推廣普及。

　　針對這些需求，美國國家半導(dǎo)體公司提供了全系列LED驅(qū)動器設(shè)計方案（見表2），可以為用戶提供全面的LED驅(qū)動器解決方案。

　　LED照明系統(tǒng)需要借助于恒流供電，目前主流的恒流驅(qū)動設(shè)計方案是利用線性或開關(guān)型DC/DC穩(wěn)壓器結(jié)合特定的反饋電路為LED提供恒流供電，根據(jù)DC/DC穩(wěn)壓器外圍電路設(shè)計的差異，又可以分為電感型LED驅(qū)動器和開關(guān)電容型LED驅(qū)動器。電感型升壓驅(qū)動器方案其優(yōu)點是驅(qū)動電流較高，LED的端電壓較低、功耗較低、效率保持不變，特別適用于驅(qū)動多只LED的應(yīng)用。在大功率LED驅(qū)動器設(shè)計中，主要采用開關(guān)電容型LED驅(qū)動方案，其優(yōu)點是LED兩端的電壓較高、流過的電流較大，從而獲得較高的功效及光學(xué)效率。先進(jìn)的開關(guān)電容技術(shù)還能夠提高效率，因而在大功率LED驅(qū)動中應(yīng)用廣泛。

　　本文小結(jié)

　　大功率LED照明技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，因而受到普遍的關(guān)注和投資者的追捧。現(xiàn)階段，由于LED芯片設(shè)計和制造技術(shù)及材料等諸多因素的限制，它暫時還不能完全取代傳統(tǒng)的白熾燈，因而人們更為關(guān)注大功率LED在特種照明中的應(yīng)用。