提高LED驱动器的性能

未来几年，商业和工业照明应用中的 LED 驱动器市场将增长超过 43 亿美元，这主要得益于商业照​​明市场模块化嵌入式灯具的高采用率。大公司，包括德州仪器、英飞凌、模拟设备公司和马克西姆，将继续主导驱动器的大部分微电子设计。

介绍

每当我们处理 LED 时，必须有一个驱动器，以便能够以最佳方式驱动它。无论应用案例如何，这都适用于一般情况。该概念适用于汽车案例或更一般的照明项目。使用多拓扑 LED 驱动器也特别方便，因为这允许支持不同的输入和输出电压值，而这又取决于应用案例。

LED 驱动器用于为各种应用提供恒定电流，例如室内商业照明和街道/工业照明。对于电源转换，主要市场公司使用了多种拓扑结构。当考虑 LED 驱动器拓扑将交流输入电压转换为用于 LED 负载的恒定稳压电流源时，有必要从三个通用功率级别查看应用：需要低于 20 瓦输入的低功率应用；中功率和超过 50 瓦输入的高功率。随着额定功率的增加，最常见的是带有功率因数校正专用级和反激式的驱动器。其他常见拓扑包括具有恒定电流输出的单级反激和降压解决方案。广泛使用的拓扑类型取决于实施的功能以及公司在专用领域的经验。关键参数是 LED 电流。高亮度 LED 的工作电流为数百 mA，并且该电流必须保持恒定。照明技术的进步显着降低了 LED 的价格，从而成为系统总成本中最重要的电源驱动器成本的负担。

最高效率、低成本、输入和输出电压范围、THD（总谐波失真）和监管要求都是选择合适驱动器时必须考虑的因素。总谐波失真测量由电子设备引入电信号的噪声。通常，系统中信号的交叉会在频率和幅度方面发生变化，从而呈现失真。许多 LED，尤其是高亮度 LED (HB LED)，越来越多地用于显示背光和数字标牌的各种阵列配置。单个 LED 需要 20 到 60 mA 的驱动电流，电压降为 1.8 到 4 V（红色 LED 标称值为 1.8 V，黄色 LED 为 2.2 V，绿色 LED 为 3.5 V，蓝色 LED 为 3.6 V，白色 LED 约为 4.0 V ）。

集成电路解决方案

LED 驱动器的选择必须能够满足系统的电气、光学和热特性，这是确保正确运行所必需的。一个例子是 TPS92691，它是一种专用于电流感测的集成，具有基于 N 型 MOSFET 的轨到轨类型。它用于汽车领域的应用，例如驱动近光灯或位置灯。其他应用程序看到他从事街道照明或泛光灯（图 1）。

图 1：TPS92691 驱动器接线图

ILD2111 是英飞凌的可配置降压稳压器，设计为恒流发生器。一些关键参数，例如保护功能，可以通过专用的单引脚 UART 接口进行配置。ILD2111 降压稳压器可通过外部 PWM 信号进行控制（调光）。控制器通常在连续传导模式 (CCM) 中使用降压拓扑。该器件会自动选择一个关于开关频率和输出电流纹波的最佳工作窗口。这保证了在各种应用条件下的最大效率，并且可以定制不同的参数。控制器提供过载保护功能，以及智能过热保护功能（图 2）。

图 2：ILD2111 驱动器接线图

氮化镓技术

带隙级新材料的出现，例如具有高开关频率的氮化镓 (GaN)，将显着提高 LED 驱动器的效率。

GaN 的特性允许新的解决方案、简化和改进，并且越来越多地用于不同领域，不仅在军事或电信领域，而且最重要的是在照明领域。然而，尽管使用了 GaN，但它带来了一定的改进，同时也带来了新的设计挑战和妥协，以避免出现最重要的问题。

所有类型的半导体都以晶格中原子之间的间距为特征。使用硅作为衬底的难点在于原子的间距与 GaN 层的间距不同。直接在硅上生长 GaN 会导致不匹配，从而导致变形，而这只能通过可能导致泄漏电流和 LED 性能普遍劣化的零星位错​​检测到。在硅上培育 GaN 所需的转折点是使用可以提供与硅晶格更好匹配的缓冲层，然后逐渐将缓冲层转换为 GaN。这种缓冲技术是新型 GaN-on-Si 技术的基础。

用于以最高效率运行的 LED 照明转换器必须具有尽可能小的外形尺寸，并且必须能够承受高温，因为它们位于光源附近。GaN 的物理化学特性使半导体能够更好地承受更高的温度，同时允许减少电源的开关。此外，使用明显更高的开关频率的可能性允许使用更小的形状因数并因此更高的效率。然而，正是这些非常高的开关频率会导致问题，如果不加以考虑，这些问题可能会严重到消除材料提供的所有优势。在这些问题中，我们在电路内部有各种损耗。

避免此类损耗的想法是使用降压准谐振转换器（图 3），目的是不增加组件的尺寸和数量。这种类型的开关允许具有高效率的电压转换器。

图 3：降压准谐振转换器的原理图

结论

随着市场的增长，驱动器技术的进步将决定赢家和输家。驱动器电路将变得更加复杂，以更小的封装实现更高的功率密度。

LED 照明市场的显着增长在各个细分市场中的流动情况各不相同。性能和耐用性是采用 LED 的两个关键因素，如果没有高效的驱动器电力电子设备，就不会发展，即使对于不同的细分市场，这种需求也必须有很大差异。



审核编辑：刘清