就普通照明而言,LED技術已經可以滿足生產高品質燈具的要求,但是具體生產高品質LED燈具時,則需要掌握電力電子學、光學和熱管理學等三個領域的知識。很少有同時精通於三個領域的工程師,而如果電源工程師還負責系統(tǒng)架構時,他多半會將更多精力放在控制輸出電流的精確度上。毫無疑問,精確度非常重要,但當我們的最終產品是一個燈具時,它發(fā)出的光的品質才是我們所關心的重點所在。本文重點探討了如何對LED驅動電流進行嚴格控制,因為當我們關心輸出光品質時,對LED驅動電流的控制將會成為影響LED電源成本的重要因素。為了使用於LED供電電源設計的每分錢都充分發(fā)揮作用,我們在本文中提出了一個最佳方案——封閉實際光輸出的控制回路。
半導體照明這一新興領域的出現(xiàn),使同時專長於電力電子學、光學和熱管理學(機械工程)這三個領域的工程師成為搶手人才。目前,在三個領域都富有經驗的工程師并不很多,而這通常意味著系統(tǒng)工程師或者整體產品工程師的背景要和這三大領域相關,同時他們還需盡可能與其他領域的工程師協(xié)作。系統(tǒng)工程師常常會把自己原領域養(yǎng)成的習慣或積累的經驗帶入設計工作中,這和一個主要研究數(shù)位系統(tǒng)的電子工程師轉去解決電源管理問題時所遇到的情況相同:他們可能依靠單純的模擬,不在試驗臺上對電源做測試就直接在電路板上布線,因為他們沒有認識到:開關穩(wěn)壓器需要仔細檢查電路板布局;另外,如果沒有經過試驗臺測試,實際的工作情況很難與模擬一致。
在設計LED燈具的過程中,當系統(tǒng)架構工程師是位元電子電力專家,或者若電源設計被承包給一家工程公司時,一些標準電源設計中常見的習慣就會出現(xiàn)在LED驅動器設計中。一些習慣是很有用的,因為LED驅動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。兩類電路都工作在較寬的輸入電壓范圍和較大的輸出功率下,另外這兩類電路都面對連接到交流電源、直流穩(wěn)壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來的挑戰(zhàn)。電力電子工程師習慣於總想確保輸出電壓或電流的高精確度,對LED驅動器而言并不是很好的習慣。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)位負載需要更低的核心電壓,而這又要求更嚴格的控制,以防止出現(xiàn)較高的誤碼率。因此,數(shù)位電源軌的公差通常會控制在±1%以內或比它們的標稱值小,也可用其絕對數(shù)值表示,如0.99V至1.01V。在將傳統(tǒng)電源的設計習慣引入LED驅動器設計領域時,帶來的問題就是:為了實現(xiàn)對輸出電流公差的嚴格控制,將浪費更多的電力并使用更昂貴的元件,或者二者兼而有之。
善用每一分預算
理想的電源是成本不高,效率能達到100%,并且不占用空間。電力電子工程師習慣了從客戶那里聽取意見,他們也會盡最大力量去滿足那些要求,力圖在最小的空間和預算范圍內進行系統(tǒng)設計。在進行LED驅動器設計時也不例外,事實上它面對更大的預算壓力,因為傳統(tǒng)的照明技術已經完全實現(xiàn)了商品化,其價格已經非常低廉。所以,花好預算下的每一分錢都非常重要,這也是一些電力電子設計師工程師被老習慣‘引入歧途’的地方。要將LED電流的精確度控制到與數(shù)位負載的供電電壓的精度相同,則會既浪費電,又浪費錢。100mA到1A是當前大多數(shù)產品的電流范圍,特別是目前350mA(或者更確切地說,光電半導體結的電流密度為350mA/mm2)是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案。控制LED驅動器的積體電路是矽基的,所以在1.25V的范圍內有一個典型的帶隙。要在1.25V處達到1%的容差,亦即需要±12.5mV的電壓范圍。這并不難實現(xiàn),能達到這種容差或更好容差范圍的低價電壓參考電路或電源控制IC種類繁多,價格低廉。當控制輸出電壓時,可在極低功率下使用高精度電阻來回饋輸出電壓(如圖1a所示)。為控制輸出電流,需要對回饋方式做出一些調整,如圖1b所示。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡單的手段。