LED之前世今生及其驱动概述

想象一下收到一个灯泡作为礼物会是什么样的情形。用于替代螺旋灯泡的LED灯稀少而昂贵，我居然在去年圣诞节的时候收到了这样一份礼物。不过我们正逐渐走向这样一个交叉路口：LED灯将越来越普及，价格越来越便宜，到一定程度时，它们将担负起为世界照明的重担。
            我们并不是简单地将采用LED技术的新型灯泡状物体扭进旧装置中。今后再也没有必要把光源看成是一次性物品。很快，灯泡(包括点亮的部分)的使用寿命将超过灯泡用户的寿命。此外，由于LED灯是瞬时开启和关断的，并且电源周期不会造成其使用寿命缩短，因此我们可以只在需要时打开LED灯。
           这对于使用光学望远镜的天文学家来说是一个潜在优势，对于城市和建筑所有者来说则有可能实现大幅节能。甚至最后警察和私人保安都倾向于只在响应运动传感器时才打开夜间照明灯，因为这种灯可以帮助他们分辨坏人在哪里。不过，这种技术确实处于其发展的初期阶段，它需要一些时间来逐渐适应。
            LED的物理原理
            任何二极管处于传导状态时，无论电子与空穴何时复合，都会以光子的形式散发一定的能量。光色(光子的能量)取决于半导体材料的能带隙。砷化铝镓(AlGaAs)和其他材料发红光。氮化铟镓(InGaN)发绿光。硒化锌(ZnSe)发蓝光。
           可以通过整合红光二极管、绿光二极管和蓝光二极管来产生白光。不过，我们非常熟悉的高亮度(HB)白光二极管整合的是蓝光InGaN二极管和黄 色荧光粉(一般为掺铈钇铝石榴石，Ce3+:YAG)。
            当白光LED使用荧光粉时会发生非常有意思的、有用的事情。在称为斯托克斯(Stokes)位移的量子效应期间，荧光粉层发出的光子所具备的能量低于其从蓝光LED吸收的光子的能量(图1)。在高亮度白光LED中，一小部分蓝光发生斯托克斯位移后具有更长的波长。这是好事情，因为这使得LED厂商可以使用许多不同颜色的荧光粉层，从而扩展发射光谱，有效地提高LED的显色指数(CRI)。
   

   
         也就是说，对于LED来讲，不应该只考虑白光，而应该尽可能地精确反映LED灯照射的物体的所有颜色。CRI是一个相当难以度量的指标，它表示被人工照明的物体的颜色与在实际太阳光下所显示的颜色的接近程度，我们用该指标作为“白”光的标准。
            采用荧光粉的白光LED获得的高CRI是有代价的，因为斯托克斯位移会造成白光LED的效率低于单色LED的效率。不过对于大多数普通的照明应用而言，高CRI胜过效率。
            持续不断的改进
            根据可与摩尔定律媲美的海兹定律(以Roland Haitz命名)，商业LED的最大光输出每36个月左右会翻一番。该定律对产品开发有着极大的作用。基本上，从现在起一年半内主流的LED都将可以提供如今最贵的LED的光输出。借助未来的产品，最先进的机械设计将采用越来越少的LED。
           推动海兹定律的其中一个因素与难以获取二极管半导体材料的光子有关，这种材料往往具有比较高的折射率。如果光子无法通过半导体材料与其周围的空气(或真空)之间的接触面，它就会反射回半导体材料中，并被这种材料吸收。
            如果半导体材料是立方体形状，它只会或多或多地发出与立方体的一面或另一面垂直的光。(回顾一下Physics 102和有关讨论“临界角”的光学章节部分。)因此，仅仅是切割LED晶圆，并将这些芯片当作某种半导体器件，显然是不符合要求的。
            如果你从未处理过平面基板上沉积的二极管处延材料，那么你可能会想到模仿金刚石刀具来在这种材料上雕琢小平面。不过最切实可行的做法是，将LED放在折射率介于半导体材料与空气之间的透明塑料材料中，同时将团状的塑料塑造成球形或半球形，从而增加两个表面的临界角。
            基本LED驱动
             LED的驱动应该比较简单。它们是二极管，具有一定的正向压降，其光输出取决于电流，任何给定的二极管都有一个电流极限值。这看起来像一组可管理的参数，不过情况开始变得越来越复杂。就传统二极管而言，LED电流随电压呈指数级变化。(这就是肖克利(Shockley)二极管方程)
            不必多说，这里讨论的不是欧姆定律。电压的微小变化会导致电流发生很大的变化。这就是为什么在多数情况下LED采用恒流源驱动的原因。采用一组手表电池供电的便宜的袖珍手电筒是一个值得注意却不吸引人的特例。这些电池很贵，但使用时间却不长。优质手电筒采用传统电池和微型升压转换器驱动器。这种手电筒价格昂贵，不过可以让传统的AAA碱性电池工作几个月的时间。
          多个LED
            在考虑驱动电路之前，需要进行早期的设计决策，包括阵列中LED互连的配置。除了袖珍手电筒之外，很少有应用只采用单个LED。无论是街灯中的屏幕背光LED阵列，还是替代白炽灯或荧光灯的LED方案，大多数设计都需要多个LED。
           设计人员必须首先作出的其中一个决策是以串联、并联还是作为LED串的并联阵列方式驱动LED。一般来讲，以并联方式驱动许多单个LED并不可取，因为这会导致非均匀电流共享(即使LED全部具有相同的额定正向压降)。
            采用串联驱动LED的方式又会引起单个LED出现故障时自动打开的情况下出现的问题。在每个LED处采用并联的齐纳二极管或硅控整流器(SCR)可以解决这个问题，不过成本比较高。SCR比较具有吸引力，因为在必须处理失效LED时，它们的功耗较低。
            最佳的策略也许是承认单个LED失效与整个LED串失效一样严重，然后实现鲁棒的热设计，最大限度地减少所有LED在应有的产品使用寿命内发生热应力引起的故障的机会。
           如果设计人员采用多个并联LED串，那么与采用较少具有足够输出能力的驱动器(理想情况下是一个)来驱动多个并联LED串相比，每个LED串采用独立驱动器所花费的成本将更高。
           采用多个LED串往往会引起电流共享问题，这样就需要采用第一个案例中的LED串，不过仍有必要针对每个LED串采用一个镇流电阻。设计人员可以计算电阻值，假设目标为通过LED串的正压降的变化控制在±10%以内，并且假设需要匹配每个并联LED串中的电流，以便该电流的变化控制在±20%以内。
            假设对于每个LED串而言，LED正向压降与通过镇流电阻的电压之和应等于驱动器标称输出电压的80%。根据这一点即可算出镇流电阻和恒流驱动器的额定电流。另一个比较简单的方案是购买匹配且交叉连接的串联/并联LED串阵列，如Philips公司的Luxeon Flood产品。
             动态背光
            普通的照明阵列与背光阵列除了光输出、阵列间隔和更均匀的照明效果之外就几乎不存在其它差别了。不过当背光强度与移动视频图像动态匹配时，情况有所变化。
           动态背光可以产生与背光屏幕上的图像流明值相对应的局部背光强度变化，其日益普及的原因有两个。
            首先，动态背光会增加被显示图像的明显动态范围(或对比度)。其次，通过对背光中的部分LED进行节流，动态背光可以降低总能耗。它对于在商店中通过比较显示屏选择高端电视机的顾客有很大的影响(图2)；在很大程度上也是一种延长移动设备中的电池使用时间的方法。
   

   
          图2：动态背光可调节电视屏幕背光阵列中单个LED的亮度，从而与显示图像的流明值匹配，提高显示屏的感知对比度。
            我第一次看到动态背光是在恩智浦公司(NXP)的新闻发布会上，那次演示让我想起了我大学时期的某个夏季在一家电视台工作的情境。我在这里工作的第一天掌握了很多理论知识，但是都不是实践知识。因此，他们让我在一台摄像机控制装置后面坐下，并向我介绍控制绝对黑电平和白电平的旋钮。
             由于电视台的节目安排都是老电影，因此必需要有一个人工操作员。因为好莱坞导演喜欢采用各种对比度的胶片以艺术方式为拍摄现场提供照明(这远远超出了旧的RS-170视频的处理能力)，因此这样就使得电视摄像操作变得比较复杂。我第一天的工作就是消除它们的艺术效果。
            这是一种似曾相识的经历，四十年后，我在NXP的会议室里观看一些IC驱动日立高清电视机上的LED背光，以便在信号链的显示端进行一些处理，这与我曾经在摄像机端做过的操作类似，不过这种操作并没有怎么冒犯电影导演的初衷。
            动态背光的一个重要考虑因素是粒度。每个背光LED都可以照亮相当多的像素，因此光强度的变化必须逐渐扩展到LED的各个行和列。即使是这样，这也比我以前通过增益和设置控制达到的效果要好。
             可控硅调光
            脉宽调制(PWM)可以控制LED光输出。为了实现动态背光，驱动器需要高带宽控制通道。许多创新都源于为顺应传统可控硅和SCR调光器的调光输入而采用LED替代白炽灯源和荧光灯源的需求。这也是传统技术拖累新一代技术的其中一个案例。
            调光部件很容易采用恒流直流电源供电。此时的挑战在于根据LED方案没有的控制器来实现调光。这样，基本调光就只是一个改变脉宽调制恒流方波工作周期的过程，它会相当快地进行开关，从而避免产生可察觉的闪烁。
            凭经验来讲，超过100Hz(欧洲主要频率的两倍)就足够了。事实上，欧洲管制机构正在开始关注当LED驱动器AC-DC前端中的功率因数校正(PFC)给施加给LED的波形带来谐波时的这种相对较低的速率和短工作周期。
            在处理难题之前，需要先考虑可控硅调光器引起的一些基本问题，可控硅调光器是通过中断交流波形的每个半周期部分来控制简单的白炽灯的亮度的。如果负载是灯泡的灯丝，这个问题就是小事一桩，不过如果负载是恒流驱动器IC的话，这个问题就不简单了(请参见www.electronicdesign.com 上的“High-Brightness White LEDs Light The Way To Greener Illumination”一文)。
            例如，美国国家半导体公司(NSC)的LM3445降压控制器是一款可控硅调光驱动器。事实上，NSC公司的工程师开发了一款专有的恒定关断时间方案，用于维持整个LED串中的恒流(图3)。这实际上是一种脉冲频率调制，因为采用恒定关断时间时，导通时间就成了唯一的变量。这样，通过改变切换频率来控制导通时间就可以轻松实现了。
   
   
            图3：美国国家半导体的LM3445是首款用于普通照明LED产品的驱动器，它允许采用传统可控硅调光器进行调光。
             LM3445的输入端有一个齐纳桥。此齐纳桥后面的“填谷”电路可使斩波操作更加顺利，并允许降压稳压器即使在可控硅处于关断状态时也可以汲取功率。
             此IC的外接电路需要一个仿真白炽灯灯丝电阻的“泄漏”电阻，这种电阻是传统照明电路中的可控硅中的一部分。“泄漏电阻”一般是指穿过交流电源的输出电容的电阻。这里的“泄漏电阻”消耗掉流经关断状态下的可控硅的小电流。
           在泄漏电阻的同一节点处，有一个带一个15V齐纳管和一个电源调整三极管的外部电路。电源调整三极管与大多数稳压线路电压“保持一定距离”，因此，此IC的感应引脚上的电压在降至齐纳桥的阈值以下时就会随稳压线路电压的变化而变化。
            相对于交流线路波形45°至135°的可控硅调光器发射角，LM3445具有10%至100%的调光范围。该电路部分基于斜坡发生器和比较器。斜坡比较器的输出通过施密特触发器驱动共源极N沟道MOSFET，MOSFET的漏极电压与可控硅调光器的工作周期成正比。还有另外一个用于设置PWM关断时间的电路。通过一个电阻来设置驱动LED电流的实际电流。
            凌力尔特公司(Linear Technology)的LT3799针对类似的可控硅控制的应用(图4a)。该器件的设计人员对从AC-DC级开始的功率转换级投入了大量工作，与NSC公司的升压转换器技术相比，其AC/DC级采用反激式拓扑结构实现。其目的在于使整流部分的功率因数在整个调光范围内尽可能接近统一，而不会将有害的谐波传到转换链中。
   
   
           图4：凌力尔特发布的LT3799(a)利用了可控硅电压(顶部)与驱动电流脉冲(底部)(b)之间的关系。
            强调PFC的意义在于满足欧洲IEC61000-3-2标准的要求，该标准是根据线路频率的谐波来规定功率因数的，而不是将功率因数规定为电力线上的电压与电流之间的相位角。功率因数的这两个定义是等效的，两个定义都与负载电抗有关，但相关的方式有所不同。
            每一个整流电路都包含一个大输出电容，这个电容可储存和平滑来自整流二极管的脉动直流。平滑操作的结果是，负载从每个交流输入周期某一部分的线路汲取能量。在每个周期的其余部分，负载从电容汲取能量。虽然交流线路电压为正弦电压，但交流线路电流却是尖峰电流，频率呈傅立叶级数，为交流线路频率的倍数。
            IEC61000-3-2标准规定了每个谐波(多达32次谐波)允许的最大值。凌力尔特的芯片旨在满足该标准的要求，通过主动PFC将功率因数保持在0.97以上。
           采用凌力尔特的PFC方法的其中一个优势是它实际上可以简化可控硅调光。LT3799采用隔离型反激式拓扑结构，变压器次级输出馈回至初级端进行控制，就像在任何反激式结构中一样。不过，与大多数反激式级不同的是，该级采用第三变压器绕组进行隔离，而不是采用光耦进行隔离。
            该芯片在工作时通过从感应电阻获得的外部MOSFET峰值电流信息来计算转换器的输出电流。(请参见LT3799数据手册第9页和第10页，网址为http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3799f.pdf)。当主电源关断时，LT3799还可以通过第三绕组上的电压来检测和报告打开的LED串。正常工作时，第三绕组不仅可以感应输出电压，还能向IC供电。
             为实现0.97以上的功率因数，PFC电路在临界导通模式下工作，也就是介于连续导通模式与断续导通模式的边沿。
            虽然前端比较复杂，不过根据可控硅导通的AC波形的每个半周期的持续时间对LED串进行调光的实际过程非常简单明了。根据数据手册，可控硅调光器在关断时并不是理想的开关，因为它们允许流经数毫安的电流。
             事实上，这是可控硅的一个明显特征。其他公司的调光控制器提供像白炽灯灯泡的灯丝一样的电阻性负载，用来实现可控硅触发。在凌力尔特的驱动器中，主电源MOSFET保持导通状态，以便正确地加载可控硅，而不是在可控硅关断时关断主电源MOSFET。当可控硅导通时，驱动器检测到这一状态，从而实现控制回路。
             当调光器的可控硅处于关断状态时，泄漏电流仍然流经LT3799的内置滤波器。除变压器初级绕组充当分压器之外，该电流对IC的输入电容进行充电，会引起随机开关和LED闪烁。MOSFET栅级信号电平升高，以便在可控硅处于关断状态时MOSFET导通，从而能够排出泄漏电流。可控硅一旦导通，MOSFET就会无缝地变回正常供电器件(图4b)。
            头痛和癫痫问题
          调光的决定性挑战来自iWatt公司，这是一家无晶圆厂半导体公司，他们公司的调光器主要用于LED替换灯泡。这一特定的利基市场目前已由iWatt公司主导，其挑战在于实现驱动器能够从数百个可控硅控制器中识别出哪个可控硅控制器正在使用，进而根据该信息定制灯的行为。
            此外，该公司还表示，负责管理欧洲安全标准的人员正在进一步研究针对普通照明应用的LED驱动器的AC-DC级中抑制的谐波。iWatt公司称，这些谐波能够以恒流输出线路上的噪声形式出现，这本身不会引起什么问题，只不过当光输出非常暗时，谐波可能会产生极其微小的闪烁，这可能会导致敏感人群出现头痛或癫痫症状。这项研究目前尚处于初期阶段，不过它会为IEC61000标准提供更多的零件编号信息。