實例解析高功率LED照明設計

照明設計人員對發光二極管(LED)照明的力捧乃是因為潛在的眾多好處，而這些好處是白熾燈、鹵素燈、熒光燈及充氣/弧光燈所缺乏的。雖然現今LED照明系統的商機很大，但真正讓照明設計人員雀躍不已的卻是固態照明(SolidStateLighting)的基礎設計。

要在LED照明設計上取得成功，必須密切關注三個因素，分別是電子驅動、散熱管理和光學效率。唯有成功平衡這三個因素，才能享受固態照明所帶來帶來壽命長、高電子效率、高亮度和純色(或白色LED嚴格控制的色溫)等優點。針對如何選擇高功率LED(1瓦及以上)以及設計電路驅動等問題，本文將為設計人員提供極有價值的參考。

LED串聯配置可達理想照明標準

用于固態照明的LED晶粒一般由半導體材料制成。紅色、橙色和琥珀色LED幾乎都采用InAlGaP制成，綠色和藍色LED則大多采InGaN制成；而白色LED則是使用帶有轉換熒光體的藍色LED，若從電子驅動角度來看，則與藍色LED相同。和標準的PN接面二極管相同的是，當LED被正向偏置時，它們開始傳導電流；而與標準的PN接面二極管不同的則是正向偏置中的LED會發光。而由電流驅動(LED以及通過LED極低的直流正向電壓等兩種特性，使得LED不同于其他光源。InAlGaPLED典型的正向電壓VF為2～3伏特，而InGaNLED的正向電壓則為3～4伏特，但LED的光通量與正向電流IF成比例關系。電子驅動設計的第一個問題是固定驅動電流，第二個問題是確定每個LED的電壓范圍。仔細查看制造商的產品數據表，將會找到建議的驅動電流及相應電流條件下的VF、主波長和光通量標準值、最小值和最大值。典型的VF與IF對比圖(圖1)要注意的是電流為獨立的量，表示電流控制是LED驅動器的關鍵。

圖1紅色InAlGapLED和白色InGaNLED的VF與IF比較

近年來，雖然高功率LED具有重大發展，但單一裝置仍無法滿足一般照明需求。由業界生產的旗艦性產品1瓦白色LED(標準色溫6,500K)，可產生100流明的光通量。但與典型的60瓦白熾燈泡相比，LED照明射角相對較窄。白熾燈泡的典型發光效率為15lm/W，可產生900流明的光，幾乎均勻地分布于各個方向。如果目標是照亮以前采用白熾燈泡的空間，則需要多個LED。將LED串聯可保證流經每個設備的電流皆相等，并確保每個組件都發出均勻的光?？偠灾?，盡可能將多的LED串聯，然后進一步添加串行電路，直到總光輸出達到理想標準。可采用串聯配置的LED數量取決于幾個因素，但主要由輸入電壓、電子規范和安全標準及LED驅動器決定。圖2、3、4分別顯示三種驅動由九個1瓦LED組成的照明系統的方法。

LED配置的優勢是可使用單一LED驅動器(圖2)，并可保證流經每個LED的電流都相等。缺點則是會導致最高的輸出電壓，因而需要尺寸更大、價格更高的電路組件及滿足安全要求。此外，若其中任何一個LED有「開路」的問題，全部的LED將無法發光。

圖2單一串行電路中的九個LED

圖3所示的LED配置具有更低輸出電壓和減少觸電危險的優勢。如果一個LED發生故障，其他兩個支路會繼續工作，這樣設計有利也有弊。一方面，一個LED發生故障不會使整個燈不亮。另一方面，作為電流源的LED驅動器現在必須將更多電流(1.5×IF)施加到其他的支路中。這會使LED變得過熱，而縮短使用壽命。串并聯數組的第二個缺點是LED不會均等分享驅動電流，除非它們的VF相符。這需要由LED制造商對其產品分批，因此增加了成本。即使進行VF分批，如果在設計時沒有為每個LED提供均等的散熱，LED中VF的負溫度系數也會導致支路之間的電流不均衡。

圖33x3串聯-并聯數組中的九個LED

圖4說明一種可提供最大系統穩定性的保守方法，但這種方法的成本最高，并且占用最多空間。采用單獨的驅動器可將輸出電壓保持在較低的水平，毋需VF分檔，即使兩個不同支路的兩個LED都發生故障，燈仍可保持一些光輸出。如果LED驅動器是交換式穩壓器，三個驅動器(及周圍的被動組件)的成本和占用元空間都會過高。

圖4由三個驅動器驅動的九個LED