早在2003年，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz就提出，LED大約每經過18到24個月可提升一倍的亮度，這就是著名的Haitz定律(圖1)，也被稱為LED行業的摩爾定律。根據這個定律，具有突破性質的亮度達100lm/W的LED約在2008~2010年間出現。實際上，2006年6月日本日亞化學公司就推出100lm/W白光LED工程樣品，2007年6月Cree宣布推出在350mA下最小光通量為100lm的高亮度LED。
圖1 LED大約每經過18到24個月提升一倍的亮度
研究顯示，僅僅在美國，如果55%的白熾燈和55%的日光燈被LED取代，每年將節省350億美元電費，減少7.55億噸二氧化碳排放量，LED節能高效的優點以及不斷下降的成本使之逐漸成為白熾燈和熒光燈的替代光源。中國在2006年2月9日公布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006~2020年)》中，把“高效節能、長壽命的半導體照明產品”列入中長期規劃第一重點領域的第一優先主題，“十一五”規劃的十大節能重點工程就是綠色照明，在公用設施、賓館、商廈、寫字樓以及住宅中推廣高效節能的照明系統，這預示著LED照明市場的龐大市場潛力。據預測，到2020年，LED照明市場的規模將達到1550億美元，因此，將產生引爆對LED驅動器的巨大需求。
高效LED驅動器要求結合多種驅動技術
LED照明系統的電/光轉換過程從供電部分開始，依次包括電源管理和轉換、驅動器、熱管理、傳感和控制、LED、混光和散射、光學提取等部分，如圖2所示。從中可見，LED照明系統的電/光轉換效率，不僅僅取決于LED，而且取決于各個電子和光學部件，因此，提高電/光功率的轉換效率是一個巨大的系統工程，需要全行業的協調配合及努力。
圖2 LED照明系統的電光轉換過程
在LED驅動器領域，Aston科技園負責固體照明研究中心(SSLRC)的業務開發總監Geoff Archenhold認為，驅動LED工作的技術有許多，其中主要分為：
*直流驅動：單色LED驅動，但效率最高;
*脈寬調制(PWM)：多色彩LED驅動;
PWM的原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋，調節集成電路內部開關器件的導通脈沖寬度，使得輸出電壓或電流等被控制信號保持穩定。PWM的開關頻率一般為恒定值，所以比較容易濾波。目前很多產品都應用這種方案。
*脈沖幅度調制(PAM)：多色彩LED驅動;
*脈沖頻率調制(PFM)：單色LED驅動;
PFM是通過調節脈沖頻率(即開關管的工作頻率)的方法實現穩壓輸出的技術。它的脈沖寬度固定而內部震蕩頻率是變化的，所以濾波較PWM困難。但是PFM受限于輸出功率，只能提供較小的電流。因而在輸出功率要求低，靜態功耗較低場合可采用PFM方式控制。
*上述各種方法的組合;
他認為，LED及其驅動器所面臨的挑戰包括標準化的需求、熱管理、提高光線的質量和降低成本等四大方面，核心問題是如何提高發光的效率，將來新智能型LED驅動器必須具備下列特性：
*高效率;
*AC/DC轉換級和LED驅動器級的效率要大于85%;
*應具備閉環反饋的控制功能;
*能夠監測和報告所有的系統參數;
*能夠精密地控制電流(<5%的波紋);
*自動監測和補償Vf下降;
*智能電壓控制;
*光學反饋控制;
*智能電源系統單元(PSU)溫度管理;
*對LED安裝夾具的熱管理;
Geoff Archenhold指出，在LED與封裝夾具的光效一樣的前提下，整個LED系統的效率主要取決于哪一個LED驅動器的效率更高，差距可能達到5%。
此外，Darnell Group公司的高級分析師Linnea Brush指出，對LED驅動器的需求數量應該按照功率來劃分，因為每一種應用都可能采用大量的LED。如圖3所示是對Darnell Group公司全球LED驅動器出貨量的預測，其中可見<6W的LED驅動器市場增長最快這一趨勢。
圖3 全球LED驅動器出貨量的預測
高效地實現電/光功率轉換是競爭焦點
對于LED驅動器來說，重要的是產生預期LED亮度所需要的LED輸入功率值。正如業內專家指出，以大電流驅動LED需要采用DC/DC轉換器準確地調節電流，這個DC/DC驅動器必須高效率地工作，在驅動HB LED時尤其如此，否則的話，所有未轉化成光的功率都將被轉化成熱量消耗掉。目前，提高效率的主要技術是提升PWM負載切換速度和降低控制環路中的電流檢測電阻的數值。
例如，LTC3783采用True Color PWM調光技術，能夠保證白光和RGB LED的顏色一致性，以數字方式實現3000:1的調光比。LTC3783是一種電流模式、多種拓撲轉換器，具有恒定電流PWM調光能力，適用于驅動大功率LED串和LED組。它具有極快的PWM負載切換速度，無瞬態欠壓或過壓問題，可用作升壓、降壓、降壓-升壓、SEPIC或反激式轉換器，以及用作恒流/恒壓調節器。無RSENSE工作模式利用MOSFET的接通電阻，無需電流檢測電阻，因而提高了效率。
另一方面，美信推出的MAX16819/MAX16820 HB LED驅動器僅需一個外部MOSFET和少量無源器件，可驅動高達3A電流的LED。每個器件均可以驅動多達6個串聯LED，提供從1W到25W以上的輸出功率，效率高達94%。與通常用于驅動HB LED的通用降壓控制器不同的是，MAX16819/MAX16820驅動器采用滯回控制。通過這一控制技術，驅動器可以保證在PWM調光期間的快速瞬態響應和導通/關斷時間。此外，通過采用真差分檢測技術可以精確控制LED電流，利用外部PWM信號輕松實現較寬的亮度調節范圍。PWM調光采用專用的DIM輸入實現高達5000:1的調光范圍或極高的調光開關頻率(高達20kHz)。
此外，在Vishay Intertechnology公司的SiP12510和SiP12511電流模式升壓轉換器中，采用了線性和PWM技術以及低至0.1V反饋電壓的技術實現了高達90%的轉換效率。
在歐洲，Integrated System Technologies是領先的LED驅動器設計制造商，它推出的210瓦3信道iDrive 1000 LED驅動器集成了擁有專利的PWM驅動技術和ColourCool散熱管理系統，其高功率密度和領先的PSU效率的組合，確保具有小尺寸和不需要大塊的散熱片。這個使iDrive系列解決方案為固態照明制造商提供了一個高質量電源解決方案。
在LED驅動器領域，中國半導體公司積極介入。例如，士蘭微電子股份有限公司也推出了一款降壓型、PWM控制、功率開關內置的白光LED驅動芯片—SB42510。該款芯片是DC/DC功率LED驅動電路，三種不同的規格可以滿足1W，3W以及5W的白光LED的驅動。SB42510采用先進的BCD工藝，輸入電壓可以達到25V，輸出電流可達1A。驅動單顆LED時，效率可以達到88%;驅動兩顆及多顆LED時，效率可以達到95%以上。SB42510芯片工作頻率在360kHz左右。此外，英諾華微電子推出的IV0101/IV0102升壓轉換器芯片。它的控制模式是在PFM基礎上改進的PFM/PWM控制技術，采用是PFM與PWM有機結合的控制方式，因而具有PFM較快的響應速度和很高的回路增益及PWM大電流輸出特性，可與PWM調光相配合，成為理想的中小功率LED恒流驅動芯片。
對LED驅動器的多種需求催生新的設計工具
隨著大功率LED照明中的普及應用，功率型LED驅動器的發展越來越重要。用城市用電驅動大功率LED不僅僅需要解決降壓和恒流問題，還要求具備比較高的轉換效率、較小的體積、長時間工作、較低的成本并解決抗電磁干擾的問題。目前，對LED驅動器的正產生下列新的需求：
*體積要求小型化
隨著LED向普通照明的逐漸普及，大功率LED電源設計的小型化發展是一個必然的越勢，以幫助制造生產出能夠替代現有照明燈的LED燈，這就對LED驅動器提出了新的挑戰。
*多種保護和診斷功能
LED在電流過強時，引起LED光學特性衰減，導致LED的壽命縮短，這就需要驅動器提供過流保護、過熱保護、短路保護等保護功能，以及LED驅動器故障診斷功能。
*抗電磁干擾
目前，因空間和成本限制，市場上有很多LED燈的設計并不符合傳導EMI規范，目前，美國UL正在著手開發一系列涉及LED產品的安全評定標準。Power Integrations公司已經捷足先登，利用其LinkSwitch-TN功率轉換IC中的頻率調制特性，可以使LED燈滿足EMC規范的要求。
面對諸多的應用需求和眾多的LED驅動器解決方案，LED驅動器的選擇將是設計工程師面臨的難題。利用在線仿真工具進行LED驅動器的選擇和設計將成為重要的發展趨勢。例如，美國國家半導體公司(NS)在串聯或并聯、升壓或降壓轉換器上都有一系列的整體解決方案，通過與大功率LED制造商—如OSRAM、Phlips Lumiled、日亞、Avago—合作，NS提供在線開發工具LED WEBENCH，從輸入設計信息開始，到選擇LED驅動程序、建立BOM表、最優化效率、在線模擬驗證，乃至于產出參考設計等，為工程師在開發過程中提供了最有效的工具。
結語
目前，LED照明行業已經開始大規模進入路燈照明領域，在9月初舉行的中國(深圳)國際光電博覽會上可以驗證這一點。在這次博覽會的高層論壇上，南京漢德森半導體照明有限公司梁秉文宣稱，“LED照明是永遠的朝陽產業”，因此，可以預期LED驅動器技術有望伴隨著LED照明產業興起而為半導體行業的發展注入巨大動力。 |
