背景
到 2015 年，高亮度 (HB) LED 的市場規(guī)模預計將達到 202 億美元，自 2012年算起的年復合增長率 (CAGR) 將達到 30.6% (數(shù)據(jù)來源：Strategies Unlimited)。驅動這種顯著增長的重要應用領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。應用包括從高清晰度 (HD) TV 和便攜式平板個人電腦到汽車顯示器以及五花八門的手持式通信設備。不過，為了保持這種令人印象深刻的增長率，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，還必須在對比度比和色彩準確度方面做出改進。此外，在汽車、航空電子設備和船舶顯示器中，所有這些改進都必須進行優(yōu)化，同時還要承受從陽光燦爛到無月之夜的各種環(huán)境照明條件。
這些 TFT-LCD 應用包括信息娛樂系統(tǒng)、儀表板及眾多的儀器顯示屏。當然，當采用 LED 來為這些顯示器提供背光照明時，為了在各種各樣的照明條件下優(yōu)化顯示器的清晰度，將會產(chǎn)生一些獨特的 LED 驅動器 IC 設計難題。它要求 LED 驅動器提供非常寬的調光比范圍和高效轉換，同時還要承受相對苛刻的汽車電氣及物理環(huán)境的考驗。不言而喻，此類解決方案必須提供非常扁平和緊湊的占板面積，同時還要提高總體成本效益。
除此之外，據(jù) LED 業(yè)內人士透露：“驚人的增長出現(xiàn)在面向商業(yè)用途的高亮度 LED 照明系統(tǒng)中；這是因為在大多數(shù)消費者的眼里，LED 照明對于家用而言仍然太過昂貴。憑借其長期優(yōu)勢、節(jié)能和環(huán)保特性、及相關的減稅政策優(yōu)惠，商業(yè)領域中的 LED 照明使用量將會有大幅度的增長，例如：停車場、辦公區(qū)、工廠廠房和倉庫。LED 燈不僅能取代高壓鈉燈、鹵素燈和白熾燈泡，而且在某些場合中還可替代 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)應用在向 LED 的過渡中居領先地位，這一點絲毫不讓人感到驚訝。因為此類應用需要長時間的高強度光，所以節(jié)省電能可在相對較短的時間內取得滿意的經(jīng)濟回報。其次，LED 燈的長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格，而且在某些應用 (例如：高棚燈照明) 中實際更換燈泡的人工費用也是十分巨大的。反過來，就目前而言面向家庭用途的通用型 LED 照明對于大多數(shù)消費者來說仍然過于昂貴。然而，在未來的幾年中，隨著 LED 燈價格的走低和普及率的提高，其在照明市場的住宅區(qū)段也將實現(xiàn)大幅增長。大多數(shù)分析人士預計：這一市場區(qū)段在 2013 年及以后將加速成長。
是什么因素推動汽車顯示器越來越多地采用 LED 呢?
汽車照明領域這種令人印象深刻的增長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?(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 的進一步發(fā)展，其功效或者從電源產(chǎn)生光輸出的能力只會繼續(xù)提高。其次，我們是一個關注環(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) 中常見的有毒水銀蒸氣。最后，白熾燈泡在使用約 1,000 小時以后常常需要更換，而熒光燈可以持續(xù)使用長達 10,000 小時。不過，與 LED 照明可提供超過 10 萬小時的壽命相比，這些數(shù)字就相形見絀了。
在大多數(shù)應用中，這種更長的工作壽命使 LED 能永久性地嵌入到最終應用中。這對汽車儀表板、儀表以及信息娛樂系統(tǒng)顯示屏的背光照明而言，顯然特別重要，由于它們在汽車工作壽命期內將不需要更換，因而常常嵌入在汽車的儀表盤里。此外，LED 的外形比其他燈可小好幾個位量級，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內部空間。而且，通過紅、綠和藍光 LED 的配置，可以提供無限多種色彩。再者，LED 還能夠以遠遠超出人眼察覺能力的速度進行調光以及接通 / 關斷操作，從而可顯著改善 LCD 顯示器的背光照明，同時提供擁有高對比度比和較高分辨率的圖像。
進入汽車應用領域所面臨的障礙
然而，汽車照明系統(tǒng)設計師面臨的最大障礙之一是，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 具有的所有特色和優(yōu)勢。因為 LED 一般需要一個準確和高效率的電流源和一種調光方法，所以 LED 驅動器 IC 必須設計成能在多種工作條件下滿足這些要求。另外，它們的電源解決方案必須非常高效、堅固和可靠，同時還必須非常緊湊和富有成本效益。可以說，就驅動 LED 而言，最苛刻的應用之一將是汽車信息娛樂及儀器 TFT-LCD 的背光照明，因為它們處于嚴酷的汽車電氣環(huán)境中，必須適應范圍很寬的環(huán)境照明條件變化，同時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構。
許多新興汽車設計采用單個屏來為用于駕駛控制的所有顯示儀表提供背光照明。通常，儀表盤的 LED 背光照明與信息娛樂系統(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、火車和飛機在內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、視頻游戲等娛樂服務的 LCD 顯示器。歷史上，此類顯示器采用 CCFL 背光照明；然而，人們開始越來越多地采用非常扁平的白光 LED 陣列來取代這些相對龐大的燈泡設計，以提供更加精確和可調的背光照明以及更長的使用年限。
圖 1：上圖示出了一種具高亮度 LED 的概念型 LCD 汽車儀表盤背光燈
面向商業(yè)樓宇照明的 LED 驅動器
LED 照明高增長率背后的主要驅動力是，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，LED 照明還有其他很多優(yōu)勢，但是也有一些與 LED 照明有關的挑戰(zhàn)。LED 照明的優(yōu)勢包括工作壽命比白熾燈長數(shù)個量級，這極大地降低了更換成本。能利用以前安裝的 TRIAC 調光器給 LED 調光，也是一個主要的成本優(yōu)勢，尤其是在住宅照明翻新應用中。LED 能即時接通，不像 CFL那樣需要預熱時間，而且 LED 對電源循環(huán)不敏感，這一點也與 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。最后，LED 能實現(xiàn)新的和非常扁平的外形尺寸，這是其他技術不可能做得到的。
表 1：LED、CFL 和白熾燈光源的比較
離線式 LED驅動需要注意的事項
能用離線式電源驅動 LED 就可使應用呈指數(shù)性地飛速增長，因為不管是商用建筑還是居民住宅中，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簡單，最終用戶很容易安裝，但是對 LED 驅動器 IC 的新要求卻極大地提高了。由于 LED 需要一個良好調節(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計方法，要滿足一些非常特別的設計需求。
在不同的地區(qū)城市，離線式電源參數(shù)會存在差異，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的 LED 附屬裝置，最好擁有這樣一種電路設計：無需修改就能使 LED 用在任何地方。這就要求單一 LED 驅動器 IC 能處理多種輸入電壓和電網(wǎng)頻率。
此外，許多離線式 LED 應用需要 LED 與驅動電路之間實現(xiàn)電氣隔離。這主要出于安全考慮，并且是幾家監(jiān)管機構要求的。電氣隔離通常由隔離型反激式 LED 驅動器拓撲提供，該拓撲運用變壓器來隔離驅動電路的主端與副端部分。
由于采用 LED 照明的驅動力是提供特定光輸出量所需的功率可極大地降低，因此勢在必行的是：LED 驅動器 IC 要提供最高的效率。因為 LED 驅動器電路必須將高電壓 AC 電源轉換為較低的電壓和良好調節(jié)的 LED 電流，所以 LED 驅動器 IC 必須設計為：提供高于 80% 的效率以不浪費功率。
而且，為了在住宅應用中常見的 TRIAC 調光器已經(jīng)大量安裝到位的情況下使 LED 翻新燈成為可能，LED 驅動器 IC 必須與這些調光器一起高效運作。TRIAC 調光器專為與白熾燈和鹵素燈很好地配合工作而設計，這兩種燈是理想的阻性負載。然而，LED 驅動器電路一般是非線性的，而且不是純阻性負載。其輸入橋式整流器在 AC 輸入電壓處于其正峰值和負峰值時通常吸收高強度的峰值電流。因此，LED 驅動器 IC 必須通過設計來“模仿”一個純阻性負載，以確保 LED 在不產(chǎn)生任何明顯閃爍的情況下正確起動，并利用一個 TRIAC 進行適當?shù)恼{光。
就 LED 照明而言，功率因數(shù) (PF) 是一項重要的性能規(guī)格。簡言之，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載，所以輸入電流和電壓同相，且 PF 為1。PF 是特別重要，因為它與本地電力供應商所需提供的電功率有關。舉個例子，在一個電力系統(tǒng)中，與一個具有高功率因數(shù)的負載相比，在所傳輸?shù)挠杏霉β氏嗤那闆r下，一個具有低功率因數(shù)的負載吸取更大電流。因為所需的電流較高，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也提高了，這反過來又需要更粗的導線和其他傳輸設備。較大的設備和能源浪費增加了成本，所以電力公司往往對功率因數(shù)較低的工業(yè)或商用客戶收取較高的費用。針對 LED 應用的國際標準仍然處于開發(fā)之中，不過大多數(shù)人相信：就 LED 照明應用而言，將要求 PF > 0.90。
圖 2：凌力爾特的 LT3799 離線式 LED驅動器整合了單級有源濾波，以降低 EMI 并可提供一個數(shù)值達 0.98 的功率因數(shù) (頂視圖)。
LED 驅動器電路 (包括大量的二極管、變壓器和電容器) 的表現(xiàn)不像一個純電阻性負載，故其 PF 可能低至 0.5。為了將 PF 提高到 0.9 以上，有源或無源 PFC 電路都必須設計到 LED 驅動器電路內。還應該提到的一點是，在運用大量 LED 照明陣列的應用中，高 PF 尤其重要。例如：在使用幾百個以上 50W LED 燈的停車庫里，高 PF (>0.95) LED 驅動器設計是有益的。
除了高 PF 具備重要性之外，最大限度地降低 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類照明設備諧波規(guī)范，以確保新的LED照明附屬裝置滿足這些低失真要求。
在照明應用中，能在較寬的輸入線路電壓、輸出電壓和溫度變化范圍內準確調節(jié) LED 電流是至關重要的，因為 LED 亮度的變化必須是人眼難以察覺的。類似地，為了確保 LED 有最長的工作壽命，不使用高于其最大額定值的電流來驅動 LED 是很重要的。在隔離型反激式應用中，LED 電流的調節(jié)并不總是直接進行的，常常需要一個光耦合器來閉合所需的反饋環(huán)路，或者可能增加一個額外的轉換級。然而，這兩種方法都帶來了復雜性和可靠性問題。幸運的是，有些 LED 驅動器 IC 的設計采用了新的設計方法，無需這些額外的組件或在不增加設計復雜性的情況下，就能準確地調節(jié) LED 電流。
結論
毫無疑問，HB LED 在汽車應用以及高亮度 LED 照明系統(tǒng)在商用建筑中的成長潛力相組合，使得 LED 本身及其驅動所需的 LED 驅動器 IC 如今得到了廣泛的使用，進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，但它們在這些應用中所提供的優(yōu)勢非常之大是人們根本無法忽視的。幸運的是，對于此類系統(tǒng)的設計人員來說，LED 的選擇余地很大，可以為其供電的新型和創(chuàng)新 IC驅動器同樣不少。沒錯，LED 照明的未來的確是光明的。 |
