提高LED驅動器的性能?

未來幾年，商業和工業照明應用中的 LED 驅動器市場將增長超過 43 億美元，這主要得益于商業照??明市場模塊化嵌入式燈具的高采用率。大公司，包括德州儀器、英飛凌、模擬設備公司和馬克西姆，將繼續主導驅動器的大部分微電子設計。

介紹

每當我們處理 LED 時，必須有一個驅動器，以便能夠以最佳方式驅動它。無論應用案例如何，這都適用于一般情況。該概念適用于汽車案例或更一般的照明項目。使用多拓撲 LED 驅動器也特別方便，因為這允許支持不同的輸入和輸出電壓值，而這又取決于應用案例。

LED 驅動器用于為各種應用提供恒定電流，例如室內商業照明和街道/工業照明。對于電源轉換，主要市場公司使用了多種拓撲結構。當考慮 LED 驅動器拓撲將交流輸入電壓轉換為用于 LED 負載的恒定穩壓電流源時，有必要從三個通用功率級別查看應用：需要低于 20 瓦輸入的低功率應用；中功率和超過 50 瓦輸入的高功率。隨著額定功率的增加，最常見的是帶有功率因數校正專用級和反激式的驅動器。其他常見拓撲包括具有恒定電流輸出的單級反激和降壓解決方案。廣泛使用的拓撲類型取決于實施的功能以及公司在專用領域的經驗。關鍵參數是 LED 電流。高亮度 LED 的工作電流為數百 mA，并且該電流必須保持恒定。照明技術的進步顯著降低了 LED 的價格，從而成為系統總成本中最重要的電源驅動器成本的負擔。

最高效率、低成本、輸入和輸出電壓范圍、THD（總諧波失真）和監管要求都是選擇合適驅動器時必須考慮的因素。總諧波失真測量由電子設備引入電信號的噪聲。通常，系統中信號的交叉會在頻率和幅度方面發生變化，從而呈現失真。許多 LED，尤其是高亮度 LED (HB LED)，越來越多地用于顯示背光和數字標牌的各種陣列配置。單個 LED 需要 20 到 60 mA 的驅動電流，電壓降為 1.8 到 4 V（紅色 LED 標稱值為 1.8 V，黃色 LED 為 2.2 V，綠色 LED 為 3.5 V，藍色 LED 為 3.6 V，白色 LED 約為 4.0 V ）。

集成電路解決方案

LED 驅動器的選擇必須能夠滿足系統的電氣、光學和熱特性，這是確保正確運行所必需的。一個例子是 TPS92691，它是一種專用于電流感測的集成，具有基于 N 型 MOSFET 的軌到軌類型。它用于汽車領域的應用，例如驅動近光燈或位置燈。其他應用程序看到他從事街道照明或泛光燈（圖 1）。

圖 1：TPS92691 驅動器接線圖

ILD2111 是英飛凌的可配置降壓穩壓器，設計為恒流發生器。一些關鍵參數，例如保護功能，可以通過專用的單引腳 UART 接口進行配置。ILD2111 降壓穩壓器可通過外部 PWM 信號進行控制（調光）。控制器通常在連續傳導模式 (CCM) 中使用降壓拓撲。該器件會自動選擇一個關于開關頻率和輸出電流紋波的最佳工作窗口。這保證了在各種應用條件下的最大效率，并且可以定制不同的參數。控制器提供過載保護功能，以及智能過熱保護功能（圖 2）。

圖 2：ILD2111 驅動器接線圖

氮化鎵技術

帶隙級新材料的出現，例如具有高開關頻率的氮化鎵 (GaN)，將顯著提高 LED 驅動器的效率。

GaN 的特性允許新的解決方案、簡化和改進，并且越來越多地用于不同領域，不僅在軍事或電信領域，而且最重要的是在照明領域。然而，盡管使用了 GaN，但它帶來了一定的改進，同時也帶來了新的設計挑戰和妥協，以避免出現最重要的問題。

所有類型的半導體都以晶格中原子之間的間距為特征。使用硅作為襯底的難點在于原子的間距與 GaN 層的間距不同。直接在硅上生長 GaN 會導致不匹配，從而導致變形，而這只能通過可能導致泄漏電流和 LED 性能普遍劣化的零星位錯??檢測到。在硅上培育 GaN 所需的轉折點是使用可以提供與硅晶格更好匹配的緩沖層，然后逐漸將緩沖層轉換為 GaN。這種緩沖技術是新型 GaN-on-Si 技術的基礎。

用于以最高效率運行的 LED 照明轉換器必須具有盡可能小的外形尺寸，并且必須能夠承受高溫，因為它們位于光源附近。GaN 的物理化學特性使半導體能夠更好地承受更高的溫度，同時允許減少電源的開關。此外，使用明顯更高的開關頻率的可能性允許使用更小的形狀因數并因此更高的效率。然而，正是這些非常高的開關頻率會導致問題，如果不加以考慮，這些問題可能會嚴重到消除材料提供的所有優勢。在這些問題中，我們在電路內部有各種損耗。

避免此類損耗的想法是使用降壓準諧振轉換器（圖 3），目的是不增加組件的尺寸和數量。這種類型的開關允許具有高效率的電壓轉換器。

圖 3：降壓準諧振轉換器的原理圖