Tony Armstrong 產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān) 電源產(chǎn)品 凌力爾特公司

 

到 2015 年，高亮度 (HB) LED 的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 202 億美元，自 2012年算起的年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR) 將達(dá)到 30.6% (數(shù)據(jù)來(lái)源：Strategies Unlimited)。驅(qū)動(dòng)這種顯著增長(zhǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一是用于為薄膜晶體管 (TFT) 液晶顯示器 (LCD) 提供背光照明的 LED。應(yīng)用包括從高清晰度 (HD) TV 和便攜式平板個(gè)人電腦到汽車(chē)顯示器以及五花八門(mén)的手持式通信設(shè)備。不過(guò)，為了保持這種令人印象深刻的增長(zhǎng)率，LED 不僅必須提供更高的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，還必須在對(duì)比度比和色彩準(zhǔn)確度方面做出改進(jìn)。此外，在汽車(chē)、航空電子設(shè)備和船舶顯示器中，所有這些改進(jìn)都必須進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還要承受從陽(yáng)光燦爛到無(wú)月之夜的各種環(huán)境照明條件。

 

這些 TFT-LCD 應(yīng)用包括信息娛樂(lè)系統(tǒng)、儀表板及眾多的儀器顯示屏。當(dāng)然，當(dāng)采用 LED 來(lái)為這些顯示器提供背光照明時(shí)，為了在各種各樣的照明條件下優(yōu)化顯示器的清晰度，將會(huì)產(chǎn)生一些獨(dú)特的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 設(shè)計(jì)難題。它要求 LED 驅(qū)動(dòng)器提供非常寬的調(diào)光比范圍和高效轉(zhuǎn)換，同時(shí)還要承受相對(duì)苛刻的汽車(chē)電氣及物理環(huán)境的考驗(yàn)。不言而喻，此類(lèi)解決方案必須提供非常扁平和緊湊的占板面積，同時(shí)還要提高總體成本效益。

 

除此之外，據(jù) LED 業(yè)內(nèi)人士透露：“驚人的增長(zhǎng)出現(xiàn)在面向商業(yè)用途的高亮度 LED 照明系統(tǒng)中；這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)消費(fèi)者的眼里，LED 照明對(duì)于家用而言仍然太過(guò)昂貴。憑借其長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)、節(jié)能和環(huán)保特性、及相關(guān)的減稅政策優(yōu)惠，商業(yè)領(lǐng)域中的 LED 照明使用量將會(huì)有大幅度的增長(zhǎng)，例如：停車(chē)場(chǎng)、辦公區(qū)、工廠廠房和倉(cāng)庫(kù)。LED 燈不僅能取代高壓鈉燈、鹵素?zé)艉桶谉霟襞荩�而且在某些�?chǎng)合中還可替代 CFL 和熒光燈。”

 

于是，由于在商用建筑的總用電量中照明一般占到 25% 至 40%，所以商業(yè)應(yīng)用在向 LED 的過(guò)渡中居領(lǐng)先地位，這一點(diǎn)絲毫不讓人感到驚訝。因?yàn)榇祟?lèi)應(yīng)用需要長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度光，所以節(jié)省電能可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)取得滿(mǎn)意的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。其次，LED 燈的長(zhǎng)壽命大幅度地降低了燈泡的更換成本。這些更換成本不僅包括燈泡本身的價(jià)格，而且在某些應(yīng)用 (例如：高棚燈照明) 中實(shí)際更換燈泡的人工費(fèi)用也是十分巨大的。反過(guò)來(lái)，就目前而言面向家庭用途的通用型 LED 照明對(duì)于大多數(shù)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)仍然過(guò)于昂貴。然而，在未來(lái)的幾年中，隨著 LED 燈價(jià)格的走低和普及率的提高，其在照明市場(chǎng)的住宅區(qū)段也將實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。大多數(shù)分析人士預(yù)計(jì)：這一市場(chǎng)區(qū)段在 2013 年及以后將加速成長(zhǎng)。

 

是什么因素推動(dòng)汽車(chē)顯示器越來(lái)越多地采用 LED 呢?

汽車(chē)照明領(lǐng)域這種令人印象深刻的增長(zhǎng)潛力是由哪些因素支撐的呢？首先，LED 的發(fā)光效率是白熾燈泡的 10 倍，而且?guī)缀跏菬晒鉄?nbsp;(包括冷陰極熒光燈 [CCFL]) 的兩倍，因此降低了提供給定的光輸出量 (以流明/瓦 [lm/W] 為單位衡量) 所需的電功率。隨著 LED 的進(jìn)一步發(fā)展，其功效或者從電源產(chǎn)生光輸出的能力只會(huì)繼續(xù)提高。其次，我們是一個(gè)關(guān)注環(huán)保的世界，而 LED 照明不需要處理、接觸和棄置于冷陰極熒光燈 (CCFL) 中常見(jiàn)的有毒水銀蒸氣。較后，白熾燈泡在使用約 1,000 小時(shí)以后常常需要更換，而熒光燈可以持續(xù)使用長(zhǎng)達(dá) 10,000 小時(shí)。不過(guò)，與 LED 照明可提供超過(guò) 10 萬(wàn)小時(shí)的壽命相比，這些數(shù)字就相形見(jiàn)絀了。

 

在大多數(shù)應(yīng)用中，這種更長(zhǎng)的工作壽命使 LED 能永久性地嵌入到較終應(yīng)用中。這對(duì)汽車(chē)儀表板、儀表以及信息娛樂(lè)系統(tǒng)顯示屏的背光照明而言，顯然特別重要，由于它們?cè)谄��?chē)工作壽命期內(nèi)將不需要更換，因而常常嵌入在汽車(chē)的儀表盤(pán)里。此外，LED 的外形比其他燈可小好幾個(gè)位量級(jí)，也更緊湊，因此 LED 屏可以做得極其扁薄，故而只需占用非常少的汽車(chē)內(nèi)部空間。而且，通過(guò)紅、綠和藍(lán)光 LED 的配置，可以提供無(wú)限多種色彩。再者，LED 還能夠以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人眼察覺(jué)能力的速度進(jìn)行調(diào)光以及接通 / 關(guān)斷操作，從而可顯著改善 LCD 顯示器的背光照明，同時(shí)提供擁有高對(duì)比度比和較高分辨率的圖像。

 

進(jìn)入汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域所面臨的障礙

然而，汽車(chē)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的較大障礙之一是，怎樣優(yōu)化較新一代 LED 具有的所有特色和優(yōu)勢(shì)。因?yàn)?nbsp;LED 一般需要一個(gè)準(zhǔn)確和高效率的電流源和一種調(diào)光方法，所以 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)成能在多種工作條件下滿(mǎn)足這些要求。另外，它們的電源解決方案必須非常高效、堅(jiān)固和可靠，同時(shí)還必須非常緊湊和富有成本效益。可以說(shuō)，就驅(qū)動(dòng) LED 而言，較苛刻的應(yīng)用之一將是汽車(chē)信息娛樂(lè)及儀器 TFT-LCD 的背光照明，因?yàn)樗鼈兲幱趪?yán)酷的汽車(chē)電氣環(huán)境中，必須適應(yīng)范圍很寬的環(huán)境照明條件變化，同時(shí)還必須能放入非常有限的狹小空間之中。而且始終不變的是，它們必須具有富吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

 

許多新興汽車(chē)設(shè)計(jì)采用單個(gè)屏來(lái)為用于駕駛控制的所有顯示儀表提供背光照明。通常，儀表盤(pán)的 LED 背光照明與信息娛樂(lè)系統(tǒng)是共用的，從而形成一種便于閱讀的一體型控制面板。同樣，包括汽車(chē)、火車(chē)和飛機(jī)在內(nèi)的諸多交通工具也在面向后方的座位上裝有用于為乘客提供電影、視頻游戲等娛樂(lè)服務(wù)的 LCD 顯示器。歷史上，此類(lèi)顯示器采用 CCFL 背光照明；然而，人們開(kāi)始越來(lái)越多地采用非常扁平的白光 LED 陣列來(lái)取代這些相對(duì)龐大的燈泡設(shè)計(jì)，以提供更加精確和可調(diào)的背光照明以及更長(zhǎng)的使用年限。

 

圖 1：上圖示出了一種具高亮度 LED 的概念型 LCD 汽車(chē)儀表盤(pán)背光燈

 

面向商業(yè)樓宇照明的 LED 驅(qū)動(dòng)器

 

LED 照明高增長(zhǎng)率背后的主要驅(qū)動(dòng)力是，與傳統(tǒng)照明方法相比，LED 照明的功耗大幅降低。與白熾燈照明相比，要提供同樣的光輸出 (以流明為單位)，LED需要的電功率不到白熾燈的 20%。由表 1 可見(jiàn)，LED 照明還有其他很多優(yōu)勢(shì)，但是也有一些與 LED 照明有關(guān)的挑戰(zhàn)。LED 照明的優(yōu)勢(shì)包括工作壽命比白熾燈長(zhǎng)數(shù)個(gè)量級(jí)，這極大地降低了更換成本。能利用以前安裝的 TRIAC 調(diào)光器給 LED 調(diào)光，也是一個(gè)主要的成本優(yōu)勢(shì)，尤其是在住宅照明翻新應(yīng)用中。LED 能即時(shí)接通，不像 CFL那樣需要預(yù)熱時(shí)間，而且 LED 對(duì)電源循環(huán)不敏感，這一點(diǎn)也與 CFL 不同。此外，LED 不含任何需要管理或處置的有毒材料，而 CFL 需要有毒的水銀蒸氣才能工作。較后，LED 能實(shí)現(xiàn)新的和非常扁平的外形尺寸，這是其他技術(shù)不可能做得到的。

 

表 1：LED、CFL 和白熾燈光源的比較離線式 LED驅(qū)動(dòng)需要注意的事項(xiàng)

 

 

能用離線式電源驅(qū)動(dòng) LED 就可使應(yīng)用呈指數(shù)性地飛速增長(zhǎng)，因?yàn)椴还苁巧逃媒ㄖ�還是居民住宅中，這種形式的電源都可以非常便利地得到。雖然 LED 燈的更換附屬裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，較終用戶(hù)很容易安裝，但是對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的新要求卻極大地提高了。由于 LED 需要一個(gè)良好調(diào)節(jié)的恒定電流源，以提供恒定的光輸出，所以用 AC 輸入電源為 LED 供電需要采取一些特殊的設(shè)計(jì)方法，要滿(mǎn)足一些非常特別的設(shè)計(jì)需求。

 

在不同的地區(qū)城市，離線式電源參數(shù)會(huì)存在差異，一般在 90VAC~265VAC 之間，頻率則為 50Hz 至 65Hz。因此要制造面向全球市場(chǎng)的 LED 附屬裝置，較好擁有這樣一種電路設(shè)計(jì)：無(wú)需修改就能使 LED 用在任何地方。這就要求單一 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 能處理多種輸入電壓和電網(wǎng)頻率。

 

此外，許多離線式 LED 應(yīng)用需要 LED 與驅(qū)動(dòng)電路之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離。這主要出于安全考慮，并且是幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的。電氣隔離通常由隔離型反激式 LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)涮峁�，該拓�(fù)溥\(yùn)用變壓器來(lái)隔離驅(qū)動(dòng)電路的主端與副端部分。

 

由于采用 LED 照明的驅(qū)動(dòng)力是提供特定光輸出量所需的功率可極大地降低，因此勢(shì)在必行的是：LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 要提供較高的效率。因?yàn)?LED 驅(qū)動(dòng)器電路必須將高電壓 AC 電源轉(zhuǎn)換為較低的電壓和良好調(diào)節(jié)的 LED 電流，所以 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)為：提供高于 80% 的效率以不浪費(fèi)功率。

 

而且，為了在住宅應(yīng)用中常見(jiàn)的 TRIAC 調(diào)光器已經(jīng)大量安裝到位的情況下使 LED 翻新燈成為可能，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須與這些調(diào)光器一起高效運(yùn)作。TRIAC 調(diào)光器專(zhuān)為與白熾燈和鹵素?zé)艉芎玫嘏浜瞎ぷ鞫�設(shè)計(jì)，這兩種燈是理想的阻性負(fù)載。然而，LED 驅(qū)動(dòng)器電路一般是非線性的，而且不是純阻性負(fù)載。其輸入橋式整流器在 AC 輸入電壓處于其正峰值和負(fù)峰值時(shí)通常吸收高強(qiáng)度的峰值電流。因此，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)“模仿”一個(gè)純阻性負(fù)載，以確保 LED 在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確起動(dòng)，并利用一個(gè) TRIAC 進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)光。

 

就 LED 照明而言，功率因數(shù) (PF) 是一項(xiàng)重要的性能規(guī)格。簡(jiǎn)言之，如果所吸取的電流與輸入電壓成比例且同相，那么功率校正系數(shù)為 1。由于白熾燈是一種完美的電阻性負(fù)載，所以輸入電流和電壓同相，且 PF 為1。PF 是特別重要，因?yàn)樗�與本地電力供應(yīng)商所需提供的電功率有關(guān)。舉個(gè)例子，在一個(gè)電力系統(tǒng)中，與一個(gè)具有高功率因數(shù)的負(fù)載相比，在所傳輸?shù)挠杏霉β氏嗤�的情況下，一個(gè)具有低功率因數(shù)的負(fù)載吸取更大電流。因?yàn)樗�需的電流較高，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也提高了，這反過(guò)來(lái)又需要更粗的導(dǎo)線和其他傳輸設(shè)備。較大的設(shè)備和能源浪費(fèi)增加了成本，所以電力公司往往對(duì)功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶(hù)收取較高的費(fèi)用。針對(duì) LED 應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)仍然處于開(kāi)發(fā)之中，不過(guò)大多數(shù)人相信：就 LED 照明應(yīng)用而言，將要求 PF > 0.90。

 

 

圖 2：凌力爾特的 LT3799 離線式 LED驅(qū)動(dòng)器整合了單級(jí)有源濾波，以降低 EMI 并可提供一個(gè)數(shù)值達(dá) 0.98 的功率因數(shù) (頂視圖)。

 

LED 驅(qū)動(dòng)器電路 (包括大量的二極管、變壓器和電容器) 的表現(xiàn)不像一個(gè)純電阻性負(fù)載，故其 PF 可能低至 0.5。為了將 PF 提高到 0.9 以上，有源或無(wú)源 PFC 電路都必須設(shè)計(jì)到 LED 驅(qū)動(dòng)器電路內(nèi)。還應(yīng)該提到的一點(diǎn)是，在運(yùn)用大量 LED 照明陣列的應(yīng)用中，高 PF 尤其重要。例如：在使用幾百個(gè)以上 50W LED 燈的停車(chē)庫(kù)里，高 PF (>0.95) LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)是有益的。

 

除了高 PF 具備重要性之外，較大限度地降低 LED 燈的諧波失真度也很重要。International Electrotechnical Commission 已經(jīng)制訂了IEC 61000-3-2 C類(lèi)照明設(shè)備諧波規(guī)范，以確保新的LED照明附屬裝置滿(mǎn)足這些低失真要求。

 

在照明應(yīng)用中，能在較寬的輸入線路電壓、輸出電壓和溫度變化范圍內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)節(jié) LED 電流是至關(guān)重要的，因?yàn)?LED 亮度的變化必須是人眼難以察覺(jué)的。類(lèi)似地，為了確保 LED 有較長(zhǎng)的工作壽命，不使用高于其較大額定值的電流來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 是很重要的。在隔離型反激式應(yīng)用中，LED 電流的調(diào)節(jié)并不總是直接進(jìn)行的，常常需要一個(gè)光耦合器來(lái)閉合所需的反饋環(huán)路，或者可能增加一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換級(jí)。然而，這兩種方法都帶來(lái)了復(fù)雜性和可靠性問(wèn)題。幸運(yùn)的是，有些 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的設(shè)計(jì)采用了新的設(shè)計(jì)方法，無(wú)需這些額外的組件或在不增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性的情況下，就能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié) LED 電流。

 

 

結(jié)論

 

毫無(wú)疑問(wèn)，HB LED 在汽車(chē)應(yīng)用以及高亮度 LED 照明系統(tǒng)在商用建筑中的成長(zhǎng)潛力相組合，使得 LED 本身及其驅(qū)動(dòng)所需的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 如今得到了廣泛的使用，進(jìn)而造成其需求量的顯著增加。盡管其普及面臨著各自的障礙，但它們?cè)谶@些應(yīng)用中所提供的優(yōu)勢(shì)非常之大是人們根本無(wú)法忽視的。幸運(yùn)的是，對(duì)于此類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，LED 的選擇余地很大，可以為其供電的新型和創(chuàng)新 IC驅(qū)動(dòng)器同樣不少。沒(méi)錯(cuò)，LED 照明的未來(lái)的確是光明的。