提高LED驅(qū)動(dòng)器的性能?

未來幾年，商業(yè)和工業(yè)照明應(yīng)用中的 LED 驅(qū)動(dòng)器市場將增長超過 43 億美元，這主要得益于商業(yè)照??明市場模塊化嵌入式燈具的高采用率。大公司，包括德州儀器、英飛凌、模擬設(shè)備公司和馬克西姆，將繼續(xù)主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)器的大部分微電子設(shè)計(jì)。

介紹

每當(dāng)我們處理 LED 時(shí)，必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，以便能夠以最佳方式驅(qū)動(dòng)它。無論應(yīng)用案例如何，這都適用于一般情況。該概念適用于汽車案例或更一般的照明項(xiàng)目。使用多拓?fù)?LED 驅(qū)動(dòng)器也特別方便，因?yàn)檫@允許支持不同的輸入和輸出電壓值，而這又取決于應(yīng)用案例。

LED 驅(qū)動(dòng)器用于為各種應(yīng)用提供恒定電流，例如室內(nèi)商業(yè)照明和街道/工業(yè)照明。對于電源轉(zhuǎn)換，主要市場公司使用了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)考慮 LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)鋵⒔涣鬏斎腚妷恨D(zhuǎn)換為用于 LED 負(fù)載的恒定穩(wěn)壓電流源時(shí)，有必要從三個(gè)通用功率級別查看應(yīng)用：需要低于 20 瓦輸入的低功率應(yīng)用；中功率和超過 50 瓦輸入的高功率。隨著額定功率的增加，最常見的是帶有功率因數(shù)校正專用級和反激式的驅(qū)動(dòng)器。其他常見拓?fù)浒ň哂泻愣娏鬏敵龅膯渭壏醇ず徒祲航鉀Q方案。廣泛使用的拓?fù)漕愋腿Q于實(shí)施的功能以及公司在專用領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵參數(shù)是 LED 電流。高亮度 LED 的工作電流為數(shù)百 mA，并且該電流必須保持恒定。照明技術(shù)的進(jìn)步顯著降低了 LED 的價(jià)格，從而成為系統(tǒng)總成本中最重要的電源驅(qū)動(dòng)器成本的負(fù)擔(dān)。

最高效率、低成本、輸入和輸出電壓范圍、THD（總諧波失真）和監(jiān)管要求都是選擇合適驅(qū)動(dòng)器時(shí)必須考慮的因素。總諧波失真測量由電子設(shè)備引入電信號的噪聲。通常，系統(tǒng)中信號的交叉會(huì)在頻率和幅度方面發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)失真。許多 LED，尤其是高亮度 LED (HB LED)，越來越多地用于顯示背光和數(shù)字標(biāo)牌的各種陣列配置。單個(gè) LED 需要 20 到 60 mA 的驅(qū)動(dòng)電流，電壓降為 1.8 到 4 V（紅色 LED 標(biāo)稱值為 1.8 V，黃色 LED 為 2.2 V，綠色 LED 為 3.5 V，藍(lán)色 LED 為 3.6 V，白色 LED 約為 4.0 V ）。

集成電路解決方案

LED 驅(qū)動(dòng)器的選擇必須能夠滿足系統(tǒng)的電氣、光學(xué)和熱特性，這是確保正確運(yùn)行所必需的。一個(gè)例子是 TPS92691，它是一種專用于電流感測的集成，具有基于 N 型 MOSFET 的軌到軌類型。它用于汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，例如驅(qū)動(dòng)近光燈或位置燈。其他應(yīng)用程序看到他從事街道照明或泛光燈（圖 1）。

圖 1：TPS92691 驅(qū)動(dòng)器接線圖

ILD2111 是英飛凌的可配置降壓穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)為恒流發(fā)生器。一些關(guān)鍵參數(shù)，例如保護(hù)功能，可以通過專用的單引腳 UART 接口進(jìn)行配置。ILD2111 降壓穩(wěn)壓器可通過外部 PWM 信號進(jìn)行控制（調(diào)光）。控制器通常在連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 中使用降壓拓?fù)?。該器件?huì)自動(dòng)選擇一個(gè)關(guān)于開關(guān)頻率和輸出電流紋波的最佳工作窗口。這保證了在各種應(yīng)用條件下的最大效率，并且可以定制不同的參數(shù)?？刂破魈峁┻^載保護(hù)功能，以及智能過熱保護(hù)功能（圖 2）。

圖 2：ILD2111 驅(qū)動(dòng)器接線圖

氮化鎵技術(shù)

帶隙級新材料的出現(xiàn)，例如具有高開關(guān)頻率的氮化鎵 (GaN)，將顯著提高 LED 驅(qū)動(dòng)器的效率。

GaN 的特性允許新的解決方案、簡化和改進(jìn)，并且越來越多地用于不同領(lǐng)域，不僅在軍事或電信領(lǐng)域，而且最重要的是在照明領(lǐng)域。然而，盡管使用了 GaN，但它帶來了一定的改進(jìn)，同時(shí)也帶來了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和妥協(xié)，以避免出現(xiàn)最重要的問題。

所有類型的半導(dǎo)體都以晶格中原子之間的間距為特征。使用硅作為襯底的難點(diǎn)在于原子的間距與 GaN 層的間距不同。直接在硅上生長 GaN 會(huì)導(dǎo)致不匹配，從而導(dǎo)致變形，而這只能通過可能導(dǎo)致泄漏電流和 LED 性能普遍劣化的零星位錯(cuò)??檢測到。在硅上培育 GaN 所需的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是使用可以提供與硅晶格更好匹配的緩沖層，然后逐漸將緩沖層轉(zhuǎn)換為 GaN。這種緩沖技術(shù)是新型 GaN-on-Si 技術(shù)的基礎(chǔ)。

用于以最高效率運(yùn)行的 LED 照明轉(zhuǎn)換器必須具有盡可能小的外形尺寸，并且必須能夠承受高溫，因?yàn)樗鼈兾挥诠庠锤浇?。GaN 的物理化學(xué)特性使半導(dǎo)體能夠更好地承受更高的溫度，同時(shí)允許減少電源的開關(guān)。此外，使用明顯更高的開關(guān)頻率的可能性允許使用更小的形狀因數(shù)并因此更高的效率。然而，正是這些非常高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致問題，如果不加以考慮，這些問題可能會(huì)嚴(yán)重到消除材料提供的所有優(yōu)勢。在這些問題中，我們在電路內(nèi)部有各種損耗。

避免此類損耗的想法是使用降壓準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器（圖 3），目的是不增加組件的尺寸和數(shù)量。這種類型的開關(guān)允許具有高效率的電壓轉(zhuǎn)換器。

圖 3：降壓準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的原理圖

結(jié)論

隨著市場的增長，驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的進(jìn)步將決定贏家和輸家。驅(qū)動(dòng)器電路將變得更加復(fù)雜，以更小的封裝實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

LED 照明市場的顯著增長在各個(gè)細(xì)分市場中的流動(dòng)情況各不相同。性能和耐用性是采用 LED 的兩個(gè)關(guān)鍵因素，如果沒有高效的驅(qū)動(dòng)器電力電子設(shè)備，就不會(huì)發(fā)展，即使對于不同的細(xì)分市場，這種需求也必須有很大差異。



審核編輯：劉清