照明設計人員對發光二極管(LED)照明的力捧乃是因為潛在的眾多好處，而這些好處是白熾燈、鹵素燈、熒光燈及充氣/弧光燈所缺乏的。雖然現今LED照明系統的商機很大，但真正讓照明設計人員雀躍不已的卻是固態照明(Solid State Lighting)的基礎設計。
要在LED照明設計上取得成功，必須密切關注三個因素，分別是電子驅動、散熱管理和光學效率。唯有成功平衡這三個因素，才能享受固態照明所帶來帶來壽命長、高電子效率、高亮度和純色(或白色LED嚴格控制的色溫)等優點。針對如何選擇高功率LED(1瓦及以上)以及設計電路驅動等問題，本文將為設計人員提供極有價值的參考。
LED串聯配置可達理想照明標準
用于固態照明的LED晶粒一般由半導體材料制成。紅色、橙色和琥珀色LED幾乎都采用InAlGaP制成，綠色和藍色LED則大多采InGaN制成；而白色LED則是使用帶有轉換熒光體的藍色LED，若從電子驅動角度來看，則與藍色LED相同。和標準的PN接面二極管相同的是，當LED被正向偏置時，它們開始傳導電流；而與標準的PN接面二極管不同的則是正向偏置中的LED會發光。而由電流驅動(LED以及通過LED極低的直流正向電壓等兩種特性，使得LED不同于其他光源。InAlGaP LED典型的正向電壓VF為2～3伏特，而InGaN LED的正向電壓則為3～4伏特，但LED的光通量與正向電流IF成比例關系。電子驅動設計的第一個問題是固定驅動電流，第二個問題是確定每個LED的電壓范圍。仔細查看制造商的產品數據表，將會找到建議的驅動電流及相應電流條件下的VF、主波長和光通量標準值、最小值和最大值。典型的VF與IF對比圖(圖1)要注意的是電流為獨立的量，表示電流控制是LED驅動器的關鍵。
圖1 紅色InAlGap LED和白色InGaN LED的VF與IF比較
近年來，雖然高功率LED具有重大發展，但單一裝置仍無法滿足一般照明需求。由業界生產的旗艦性產品1瓦白色LED(標準色溫6,500K)，可產生100流明的光通量。但與典型的60瓦白熾燈泡相比，LED照明射角相對較窄。白熾燈泡的典型發光效率為15lm/W，可產生900流明的光，幾乎均勻地分布于各個方向。如果目標是照亮以前采用白熾燈泡的空間，則需要多個LED。將LED串聯可保證流經每個設備的電流皆相等，并確保每個組件都發出均勻的光。總而言之，盡可能將多的LED串聯，然后進一步添加串行電路，直到總光輸出達到理想標準。可采用串聯配置的LED數量取決于幾個因素，但主要由輸入電壓、電子規范和安全標準及LED驅動器決定。圖2、3、4分別顯示三種驅動由九個1瓦LED組成的照明系統的方法。
LED配置的優勢是可使用單一LED驅動器(圖2)，并可保證流經每個LED的電流都相等。缺點則是會導致最高的輸出電壓，因而需要尺寸更大、價格更高的電路組件及滿足安全要求。此外，若其中任何一個LED有「開路」的問題，全部的LED將無法發光。
圖2 單一串行電路中的九個LED
圖3所示的LED配置具有更低輸出電壓和減少觸電危險的優勢。如果一個LED發生故障，其他兩個支路會繼續工作，這樣設計有利也有弊。一方面，一個LED發生故障不會使整個燈不亮。另一方面，作為電流源的LED驅動器現在必須將更多電流(1.5×IF)施加到其他的支路中。這會使LED變得過熱，而縮短使用壽命。串并聯數組的第二個缺點是LED不會均等分享驅動電流，除非它們的VF相符。這需要由LED制造商對其產品分批，因此增加了成本。即使進行VF分批，如果在設計時沒有為每個LED提供均等的散熱，LED中VF的負溫度系數也會導致支路之間的電流不均衡。
圖3 3x3串聯-并聯數組中的九個LED
圖4說明一種可提供最大系統穩定性的保守方法，但這種方法的成本最高，并且占用最多空間。采用單獨的驅動器可將輸出電壓保持在較低的水平，毋需VF分檔，即使兩個不同支路的兩個LED都發生故障，燈仍可保持一些光輸出。如果LED驅動器是交換式穩壓器，三個驅動器(及周圍的被動組件)的成本和占用元空間都會過高。
圖4 由三個驅動器驅動的九個LED
電流控制是LED驅動器關鍵
在任何情況下，都不能將單個LED與110伏特或220伏特交流(AC)電壓直接連接；這只能帶來瞬間的燦爛且具危險性。直流(DC)電源有電池、太陽能電池及燃料電池等多種形式，但對于一般照明，AC線路電壓為最普遍的輸入電壓。LED照明系統的電路須能夠輸入較高AC電壓，并輸出較低電壓的DC電流。在不同的國家，潮濕、干燥、密閉或敞開環境，電子規范都有所不同。總體而言，很少有允許輸出電壓超過60伏特DC的應用。將LED用于一般照明的研究才剛剛起步，標準和規范仍很模糊且時有修改，而利用現有的脫機電源生成中轉DC總線電壓是安全的選擇，該電源具有電絕緣和功率因子校正功能，并且符合相應的安全規范。輸出電壓一般為12伏特、24伏特和48伏特，在過去3、4年中，各種直流對直流(DC-DC)轉換器IC已投入市場，這些IC可饋入通用DC電壓并向串聯的LED輸出恒電流。
DC-DC轉換器能精確驅動LED
有些制造商提供完整的AC輸入、DC電流輸出驅動器模塊，雖然符合絕緣和功率因素校正(PFC)要求，但能驅動的LED數量和類型有限。DC-DC轉換器能精確地驅動LED，因為它們的輸出電流恒定，符合LED的需求。要實現LED不同配置所需的靈活性，固態照明設計人員必須知道哪些DC-DC轉換器IC可以使用及如何選擇最適合應用的組件。
首先，IC必須能處理所選擇的輸入電壓，并且能在很大的輸出電壓范圍內輸出所需的電流。由n個LED串聯起來的系統，需要的總輸出電壓為：VO = n x VF + VSNS。在該數列中，「VSNS」表示通過一個串聯電流傳感組件(通常為電阻)的電壓降。
對于VIN-MIN大于VO-MAX的系統，可使用降壓穩壓器。降壓穩壓器是以交換式轉換器為基礎之LED驅動器的首選產品，因為它們結構簡單、組件數量少、適合恒電流輸出及廣泛的控制IC選擇。對于VO-MIN大于VIN-MAX的系統，應使用升壓穩壓器。雖然升壓穩壓器不太適用于LED驅動，但它們采用一個單獨的傳感器和兩個電源開關。與降壓穩壓器相同的是，它們的效率很高，并且在控制IC的選擇方面是除降壓穩壓器之外的第二選擇。
最后，如果VIN和VO的范圍重迭，則需要降壓-升壓穩壓器。這種類型的穩壓器應該是電子驅動設計所能采取的最后方法，但由于制程和溫度的原因，輸入電壓范圍和誤差與LED的VF誤差相結合，通常使照明設計人員不得不做出此困難的選擇。降壓--升壓穩壓器傾向于使用更多組件，效率不高，而且比降壓穩壓器或升壓穩壓器更難設計。
此外，降壓穩壓器和升壓穩壓器各自采用一個基本拓撲，而降壓--升壓穩壓器則采用單個電感反向拓撲(Inverting Topology)、SEPIC拓撲、Cuk拓撲及反馳式(Flyback)拓撲(耦合電感)等。選擇拓撲實例如下：
? 采用降壓穩壓器
以采用六個白色(InGaN)LED的小型LED燈為例。驅動電流為1安培±10%，這是3瓦LED的標準電流。所有六個LED將采用串聯配置，查看LED數據表之后得出以下正向電壓數據：VF-MIN=3.0V，VF-TYP=3.7V，VF-MAX= 5.0V。
該LED可進行分批而縮小VF的范圍，但會增加成本，尤其是如果使用的LED已根據光通量和/或色溫進行分批。如果采用整個VF范圍，輸出電壓的范圍可以是18～30伏特，這樣的燈具可銷往全球，并且必須在85～265伏特AC的通用AC輸入電壓范圍內運作；購買標隔離線電源，它會提供一個中轉總線電壓(Intermediate Bus Voltage)VBUS。這里需要的是擁有標準輸出電壓的脫機電源，因為它具有最廣泛的產品可以選擇，也具最低成本，因此可選的VBUS為12伏特、24伏特或48伏特，每個電壓都有±5%的誤差。48伏特是最理想的選擇，因為它將提供效率最高但價格卻最低的LED驅動拓撲--降壓驅動器。
此外，脫機轉換將比12伏特或24伏特選擇更有效，因為將AC電壓逐步降低為48伏特時，輸出電流會更低，轉換速率也會更慢。圖5為降壓LED驅動器的實例。
圖5 降壓LED驅動器
? 采用升壓穩壓器
升壓穩壓器在可攜式應用、電池輸入應用中更常見。電感升壓穩壓器和交換式電容升壓穩壓器在驅動小型LED的背光顯示上都取得重大成功，然而本應用屬于自行車照明或軍用/警用手電筒等應用的攜帶式照明燈。僅由三個1瓦的白色LED發出，LED由350毫安±10%的電流驅動。如上述的范例，產品數據表規定了以下正向電壓限制：VF-MIN =3.0V，VF-TYP=3.7V，VF-MAX = 5.0V
該燈的輸入電壓為三顆1.5伏特AA電池，充滿電時每個電池的工作電壓為1.5伏特，完全放電后的工作電壓下降至0.9伏特。所有三顆電池都可并聯配置，但如此會導致可供驅動器IC工作的電壓極為有限；因此，這里需要將三顆電池改為串聯配置。VIN的范圍是2.7～4.5伏特，VO-MIN為9伏特，使得電感升壓穩壓器非常適用。以下為實例電路(圖6)。
圖6 升壓LED驅動器
? 采用降壓-升壓穩壓器
汽車電子系統由于具有廣泛的電壓范圍，因此為LED驅動電子組件帶來特殊挑戰，然而因LED的可靠性、使用壽命和發光效率，汽車卻是較早采用高功率LED的應用之一。汽車尾燈、方向燈及車內照明系統很早就轉變為固態照明系統，但由于獲得光通量所需的LED數量，前照燈(近光、遠光、霧燈等)經證明很難采用LED照明。此問題是因為所有LED會隨著晶粒溫度的升高而失去光輸出，為了解決從極小的區域獲得極高光通量(1,000流明以上)的難題，除了LED制造商外，有幾家公司購買了裸片并專門進行封裝，生產多晶粒LED模塊。這種產品在六個串聯連接與三個并聯串的LED中結合十八個晶粒。總驅動電流為1安培，VF的范圍為18～24伏特。標準汽車電池和交流發電機系統的工作電壓范圍是9～16伏特，但通常包括「雙電池」測試，也就是要求系統電子組件能在28伏特電壓下工作(或至少維持)兩分鐘或更長時間。「負載突降(Load Dump)」浪涌(由交流發電機運行時的電池斷路所造成)可能超過100伏特，但通常固定在約40伏特。此一廣泛的輸入電壓范圍，使得驅動器不得不降壓和升壓。單個電感降壓-升壓驅動器(圖7)比SEPIC、Cuk或四開關降壓-升壓驅動器需要更少組件。但它的缺點是輸出電流是根據VIN控制，需要浮動的、微分電流感應完成控制回路。上述電流感應需求可由圖7的低成本雙PNP晶體管實現，但是若改用IC電流感應放大器，將可獲得更高精確度與高性能。
圖7 降壓-升壓驅動器
驅動器特性關鍵在于 控制/感應輸出電流
幾乎所有具有可調節輸出電壓的DC-DC轉換器IC都可被轉成驅動LED的電流調節器，但是這個解決方案并不理想。專用的高功率LED驅動器應該具備一些其他DC-DC轉換器所不具備的特性，主要關鍵在于是否能精確且有效地感應和控制輸出電流。不管電阻器在IC的內部或外部，電流感應電壓VSNS必須低，才可將電流感應電阻器中的功耗降至最低。但VSNS不能低到影響訊噪比(SNR)；它的特殊優勢在于這樣的IC設計允許使用者將VSNS調節到與控制電壓成比例，讓用戶可靈活地在效率和SNR上采取折衷策略，并且仍可像線性電流調節器一樣工作。
LED的亮度調節是透過脈沖寬度調變(PWM)以保持光源的穩定一致或色溫穩定。脈沖超過一定的頻率(一般為200Hz)，人類的眼睛就無法辨別單個脈沖，將LED電流保持在一定水平上并同時調節脈沖寬度，感受到的光平均強度就會相對改變。LED驅動器IC應接受邏輯電平PWM訊號，并且能夠像高傳真雙準位放大器(High Fidelity Bi-level Amplifier)一樣發揮作用，以一個與邏輯訊號相符的控制電流，將脈沖施加到LED上。為了保持輸出電流對PWM訊號的正確性，傳播延遲必須降到最低，同時LED電流上升和下降的轉換速率必須提升到最高。在此毋須使用大多數標準電源控制IC的開/關接腳(Enable/Shutdown Pin)，它們通常會造成很大延遲而將關閉電流降到最低，并且有意限制轉換速率進行追蹤、緩啟動和排序。
以降壓轉換器為基礎的LED驅動器應該能在沒有輸出電容器的情況下工作，因為這會將輸出電壓轉換為高阻抗，并且使它們與具有無限大阻抗的理想電流源最為匹配。在沒有輸出電容的情況下，輸出電壓可快速轉換，這對于快速PWM調光是必須的。沒有輸出電容的降壓轉換器可以和一個平行調光場效晶體管(FET)連接(圖8)，這種調光方法至少將傳播延遲和轉換速度降低一級，因為保持連續的電感電流會消除最大的系統延遲。缺點是在LED關閉時消耗了一些功率，但輸出電壓可下降至與VSNS相等的準位，從而將損失的功率降到最低；重要的是，降壓穩壓器是唯一具有并行調光FET的交換式穩壓器拓撲。
圖8 帶有并行FET調光的降壓LED驅動器
LED驅動器經常暴露于極端的環境溫度，這類環境甚至對電源IC而言屬于極端溫度。散熱片的高成本、LED的促狹空間，都轉化為惡劣的散熱問題。因此須要將操作溫度額定值設定到至少125℃，并且采用高功率封裝。高功率LED通常裝在金屬核心印刷電路板(MCPCB)上，由一個帶有用于電子連接的電介質和銅導層的鋁基板構成。當將熱增益型封裝中的驅動器也裝在MCPCB時，可獲得最佳(最低)熱電阻。熱增益型封裝的實例包括無鉛針腳框架(Lead Frame)封裝(中心有一個散熱片)以及針腳型封裝的占用空間兼容版本(比如SOIC-8和TSSOP-14），在其底部有一個散熱片。由于鋁基板成本極高，因此通常不會將驅動電子組件裝在MCPCB上。大部分的應用中，LED驅動器必須克服高溫環境及標準FR4 PCB散熱性能降低的問題。
當LED直接由交換式穩壓器驅動時，最令人擔憂的故障是輸出開路。一些LED驅動器通常具有電流限制，但當輸出電流被控制在穩定狀態時，最大的擔憂是其中一個LED發生開路的情形。這是LED最常見的故障，它造成回授路徑斷開，不管是哪種控制類型，結果都是輸出電壓的大幅上升。降壓穩壓器還有一個安全問題，即VO只能上升到與VIN一樣高的準位。因為它們的輸出電壓會上升，升壓和降壓-升壓LED驅動器必須采取預防措施，直至一個或多個電路組件發生故障。如同穩壓器在遇到輸出短路時會重置、斷續或閉鎖(Latch-off)，LED驅動器，特別是升壓或降壓--升壓類型的驅動器，在發生輸出開路時應提供自動保護。如圖7所示，齊納二極管可用于使輸出電壓保持在一定范圍內。齊納潰損電壓值應設置于穩壓器的最大VO之上，反向電流設置為1毫安，才可在故障狀態的持續時間延長的情況下，將功耗降至最小。