如何对LED驱动电流进行严格控制 如何, 电子学, 领域, 工程师, 光学

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本文重点探讨了如何对LED驱动电流进行严格控制，因为当我们关心输出光品质时，对LED驱动电流的控制将会成为影响LED电源成本的重要因素。为了使用于LED供电电源设计的每分钱都充分发挥作用，我们在本文中提出了一个最佳方案——封闭实际光输出的控制回路。
　　半导体照明这一新兴领域的出现，使同时专长于电力电子学、光学和热管理学(机械工程)这三个领域的工程师成为抢手人才。目前，在三个领域都富有经验的工程师并不很多，而这通常意味着系统工程师或者整体产品工程师的背景要和这三大领域相关，同时他们还需尽可能与其他领域的工程师协作。
　　系统工程师常常会把自己原领域养成的习惯或积累的经验带入设计工作中，这和一个主要研究数位系统的电子工程师转去解决电源管理问题时所遇到的情况相同：他们可能依靠单纯的模拟，不在试验台上对电源做测试就直接在电路板上布线，因为他们没有认识到：开关稳压器需要仔细检查电路板布局;另外，如果没有经过试验台测试，实际的工作情况很难与模拟一致。
　　在设计LED灯具的过程中，当系统架构工程师是位元电子电力专家，或者若电源设计被承包给一家工程公司时，一些标准电源设计中常见的习惯就会出现在LED驱动器设计中。一些习惯是很有用的，因为LED驱动器在很多方面与传统的恒压源非常相似。两类电路都工作在较宽的输入电压范围和较大的输出功率下，另外这两类电路都面对连接到交流电源、直流稳压电源轨还是电池上等不同连接方式所带来的挑战。
　　电力电子工程师习惯于总想确保输出电压或电流的高精确度，对LED驱动器而言并不是很好的习惯。诸如FPGA和DSP之类的数位负载需要更低的核心电压，而这又要求更严格的控制，以防止出现较高的误码率。因此，数位电源轨的公差通常会控制在±1%以内或比它们的标称值小，也可用其绝对数值表示，如0.99V至1.01V。在将传统电源的设计习惯引入LED驱动器设计领域时，带来的问题就是：为了实现对输出电流公差的严格控制，将浪费更多的电力并使用更昂贵的元件，或者二者兼而有之。
　　善用每一分预算
　　理想的电源是成本不高，效率能达到100%，并且不占用空间。电力电子工程师习惯了从客户那里听取意见，他们也会尽最大力量去满足那些要求，力图在最小的空间和预算范围内进行系统设计。在进行LED驱动器设计时也不例外，事实上它面对更大的预算压力，因为传统的照明技术已经完全实现了商品化，其价格已经非常低廉。所以，花好预算下的每一分钱都非常重要，这也是一些电力电子设计师工程师被老习惯“引入歧途”的地方。
　　要将LED电流的精确度控制到与数位负载的供电电压的精度相同，则会既浪费电，又浪费钱。100mA到1A是当前大多数产品的电流范围，特别是目前350mA(或者更确切地说，光电半导体结的电流密度为350mA/mm2)是热管理和照明效率间常采纳的折衷方案。控制LED驱动器的积体电路是矽基的，所以在1.25V的范围内有一个典型的带隙。要在1.25V处达到1%的容差，亦即需要±12.5mV的电压范围。这并不难实现，能达到这种容差或更好容差范围的低价电压参考电路或电源控制IC种类繁多，价格低廉。当控制输出电压时，可在极低功率下使用高精度电阻来回馈输出电压(如图1a所示)。为控制输出电流，需要对回馈方式做出一些调整，如图1b所示。这是目前控制输出电流的唯一且最简单的手段。
　　

　　图1a：电压回馈;图1b：电流回馈(点击图片查看高清原图)
　　深入研究之后，就会发现这样做的一个主要缺点是：负载和回馈电路二者是完全相同的。参考电压被加在与LED串联的一个电阻上，这意味着参考电压或LED电流越高，电阻消耗的功率越大。所以，第一代专用LED驱动积体电路的参考电压要远低于现在的产品，这类似于电池充电器。电压更低意味着功耗更低，也意味着更小、更便宜、更低损耗的电流检测电阻。在图1b所示的简单的低端回馈环境下，200mV是常规的电压选择。但是，要在200mV参考电压下实现±1%的容差，则需要一个价格很高的积体电路，此时相对于标称参考电压的容差为±2mV。尽管这并不是不可能实现的，不过更高的精度需要更高的成本。±2mV的容差需要高精度电压参考所需的生产、测试和分级技术，此时，附加成本应花费在更智慧的LED驱动器上。新的费用的价值是增加了一个反馈回路，借助该回路，可以利用光输出(而非电流输出)来控制如何驱动LED。
　　测量光输出
　　就像数位产品设计师在电源设计中遇到不确定问题时会采取模拟解决问题那样，电力电子工程师出身的系统架构师在进行LED灯具设计时会想到高精度的输出。LED制造商已经清楚的表明，光通量与前向电流成正比。利用相同的电流驱动所有LED，那么每个LED会产生相同的光通量。因此，电力电子工程师就会得出结论：高精确度的电流是必须的。这样一来，他们就忘记了光输出的流明和勒克斯值(而不是安培值)才是重点。测量电流是很容易的，而相对的，测量光则需要昂贵的大型设备，如图2所示的积分球，而大部分电子工程师对积分球都不太了解。
　　

　　图2：光学积分球截面图
　　另外，即使容差为±0.1%的电流源(其价格会相当高)有巨大的市场价值，它对在实际光输出中产生严格的容差值上没有什么作用。透过观察LED光通量的分级可以确定这一点。表1给出了世界三大顶级电力光电半导体制造商的高阶冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分级结果。注意最后一列是各分级的容差平均值，而不是所有光通量分级范围内的容差。
　　

　　表1：全球前二大光电半导体制造商的高阶冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分级结果