LED電子工程師的供電電源設計思路
要將LED電流的精確度控制到與數(shù)字負載的供電電壓的精度相同,則會既浪費電,又浪費成本。100mA到1A是當前大多數(shù)產(chǎn)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??刂?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >LED驅動器的集成電路是硅基的,所以在1.25 V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反饋輸出電壓(如圖1a所示)。為控制輸出電流,需要對反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。
深入研究之后,就會發(fā)現(xiàn)這種做法的一個主要缺點是:負載和反饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與LED串聯(lián)的一個電阻上,這意味著參考電壓或LED電流越高,電阻消耗的功率越大。所以,第一代專用LED驅動集成電路的參考電壓要遠低于現(xiàn)在的產(chǎn)品,這類似于電池充電器。電壓更低意味著功耗更低,也意味著更小、更便宜、更低損耗的電流檢測電阻。在圖1b所示的簡單的低端反饋環(huán)境下,200mV是常規(guī)的電壓選擇。但是,要在200mV參考電壓下實現(xiàn)±1%的容差,則需要一個價格很高的集成電路,此時相對于標稱參考電壓的容差為±2mV。盡管這并不是不可能實現(xiàn)的,不過更高的精度需要更高的成本。±2mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測試和分檔技術,此時,附加成本應花費在更智能的LED驅動器上。新的費用的價值是增加了一個反饋回路,借助該回路,可以利用光輸出(而非電流輸出)來控制如何驅動LED。
電力電子工程師習慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度,但這對LED驅動器設計而言并不是很好的習慣。諸如FPGA和DSP之類的數(shù)字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)字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,通常帶來的問題是: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器件,或者二者兼而有之。
成本壓力
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(jīng)完全實現(xiàn)了商品化,其價格已經(jīng)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。
測量光輸出
就像數(shù)字產(chǎn)品設計師在電源設計中遇到不確定問題時會采取仿真解決問題那樣,電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構師在進行LED燈具設計時會想到高精度的輸出。LED制造商已經(jīng)清楚的表明,光通量與前向電流成正比。利用相同的電流驅動所有LED,那么每個LED會產(chǎn)生相同的光通量。因此,電力電子工程師就會得出結論:高精確度的電流是必須的。這樣一來,他們就忘記了光輸出的流明和勒克斯值(而不是安培值)才是重點。測量電流是很容易的,而相對的,測量光則需要昂貴的大型設備,如圖2所示的積分球,而大部分電子工程師對積分球都不太了解。
在設計LED燈具的過程中,當系統(tǒng)架構工程師是位電子電力專家,或者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。這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)。