实例解析高功率LED照明设计

照明设计人员对发光二极管(LED)照明的力捧乃是因为潜在的众多好处，而这些好处是白炽灯、卤素灯、荧光灯及充气/弧光灯所缺乏的。虽然现今LED照明系统的商机很大，但真正让照明设计人员雀跃不已的却是固态照明(SolidStateLighting)的基础设计。

要在LED照明设计上取得成功，必须密切关注三个因素，分别是电子驱动、散热管理和光学效率。唯有成功平衡这三个因素，才能享受固态照明所带来带来寿命长、高电子效率、高亮度和纯色(或白色LED严格控制的色温)等优点。针对如何选择高功率LED(1瓦及以上)以及设计电路驱动等问题，本文将为设计人员提供极有价值的参考。

LED串联配置可达理想照明标准

用于固态照明的LED晶粒一般由半导体材料制成。红色、橙色和琥珀色LED几乎都采用InAlGaP制成，绿色和蓝色LED则大多采InGaN制成；而白色LED则是使用带有转换荧光体的蓝色LED，若从电子驱动角度来看，则与蓝色LED相同。和标准的PN接面二极管相同的是，当LED被正向偏置时，它们开始传导电流；而与标准的PN接面二极管不同的则是正向偏置中的LED会发光。而由电流驱动(LED以及通过LED极低的直流正向电压等两种特性，使得LED不同于其他光源。InAlGaPLED典型的正向电压VF为2～3伏特，而InGaNLED的正向电压则为3～4伏特，但LED的光通量与正向电流IF成比例关系。电子驱动设计的第一个问题是固定驱动电流，第二个问题是确定每个LED的电压范围。仔细查看制造商的产品数据表，将会找到建议的驱动电流及相应电流条件下的VF、主波长和光通量标准值、最小值和最大值。典型的VF与IF对比图(图1)要注意的是电流为独立的量，表示电流控制是LED驱动器的关键。

图1红色InAlGapLED和白色InGaNLED的VF与IF比较

近年来，虽然高功率LED具有重大发展，但单一装置仍无法满足一般照明需求。由业界生产的旗舰性产品1瓦白色LED(标准色温6,500K)，可产生100流明的光通量。但与典型的60瓦白炽灯泡相比，LED照明射角相对较窄。白炽灯泡的典型发光效率为15lm/W，可产生900流明的光，几乎均匀地分布于各个方向。如果目标是照亮以前采用白炽灯泡的空间，则需要多个LED。将LED串联可保证流经每个设备的电流皆相等，并确保每个组件都发出均匀的光。总而言之，尽可能将多的LED串联，然后进一步添加串行电路，直到总光输出达到理想标准。可采用串联配置的LED数量取决于几个因素，但主要由输入电压、电子规范和安全标准及LED驱动器决定。图2、3、4分别显示三种驱动由九个1瓦LED组成的照明系统的方法。

LED配置的优势是可使用单一LED驱动器(图2)，并可保证流经每个LED的电流都相等。缺点则是会导致最高的输出电压，因而需要尺寸更大、价格更高的电路组件及满足安全要求。此外，若其中任何一个LED有「开路」的问题，全部的LED将无法发光。

图2单一串行电路中的九个LED

图3所示的LED配置具有更低输出电压和减少触电危险的优势。如果一个LED发生故障，其他两个支路会继续工作，这样设计有利也有弊。一方面，一个LED发生故障不会使整个灯不亮。另一方面，作为电流源的LED驱动器现在必须将更多电流(1.5×IF)施加到其他的支路中。这会使LED变得过热，而缩短使用寿命。串并联数组的第二个缺点是LED不会均等分享驱动电流，除非它们的VF相符。这需要由LED制造商对其产品分批，因此增加了成本。即使进行VF分批，如果在设计时没有为每个LED提供均等的散热，LED中VF的负温度系数也会导致支路之间的电流不均衡。

图33x3串联-并联数组中的九个LED

图4说明一种可提供最大系统稳定性的保守方法，但这种方法的成本最高，并且占用最多空间。采用单独的驱动器可将输出电压保持在较低的水平，毋需VF分档，即使两个不同支路的两个LED都发生故障，灯仍可保持一些光输出。如果LED驱动器是交换式稳压器，三个驱动器(及周围的被动组件)的成本和占用元空间都会过高。

图4由三个驱动器驱动的九个LED