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如何正確測量LED供電電源

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 就普通照明而言,LED技術已經可以滿足生產高品質燈具的要求,但是具體生產高品質LED燈具時,則需要掌握電力電子學、光學和熱管理學等三個領域的知識。
很少有同時精通於三個領域的工程師,而如果電源工程師還負責係統架構時,他多半會將更多精力放在控製輸出電流的精確度上。
毫無疑問,精確度非常重要,但當日日夜夜的最終產品是一個燈具時,它發出的光的品質才是日日夜夜所關心的重點所在。
本文重點探討了如何對LED驅動電流進行嚴格控製,因為當日日夜夜關心輸出光品質時,對LED驅動電流的控製將會成為影響LED電源成本的重要因素。
為了使用於LED供電電源設計的每分錢都充分發揮作用,日日夜夜在本文中提出了一個最佳方案——封閉實際光輸出的控製回路。
半導體照明這一新興領域的出現,使同時專長於電力電子學、光學和熱管理學(機械工程)這三個領域的工程師成為搶手人才。
目前,在三個領域都富有經驗的工程師並不很多,而這通常意味著係統工程師或者整體產品工程師的背景要和這三大領域相關,同時他們還需盡可能與其他領域的工程師協作。
係統工程師常常會把自己原領域養成的習慣或積累的經驗帶入設計工作中,這和一個主要研究數位係統的電子工程師轉去解決電源管理問題時所遇到的情況相同:他們可能依靠單純的模擬,不在試驗台上對電源做測試就直接在電路板上布線,因為他們沒有認識到:開關穩壓器需要仔細檢查電路板布局;
另外,如果沒有經過試驗台測試,實際的工作情況很難與模擬一致。
在設計LED燈具的過程中,當係統架構工程師是位元電子電力專家,或者若電源設計被承包給一家工程公司時,一些標準電源設計中常見的習慣就會出現在LED驅動器設計中。
一些習慣是很有用的,因為LED驅動器在很多方麵與傳統的恒壓源非常相似。
兩類電路都工作在較寬的輸入電壓範圍和較大的輸出功率下,另外這兩類電路都麵對連接到交流電源、直流穩壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來的挑戰。
電力電子工程師習慣於總想確保輸出電壓或電流的高精確度,對LED驅動器而言並不是很好的習慣。
諸如FPGA和DSP之類的數位負載需要更低的核心電壓,而這又要求更嚴格的控製,以防止出現較高的誤碼率。
因此,數位電源軌的公差通常會控製在±1%以內或比它們的標稱值小,也可用其絕對數值表示,如0.99V至1.01V。
在將傳統電源的設計習慣引入LED驅動器設計領域時,帶來的問題就是:為了實現對輸出電流公差的嚴格控製,將浪費更多的電力並使用更昂貴的元件,或者二者兼而有之。
善用每一分預算
理想的電源是成本不高,效率能達到100%,並且不占用空間。
電力電子工程師習慣了從客戶那裏聽取意見,他們也會盡最大力量去滿足那些要求,力圖在最小的空間和預算範圍內進行係統設計。
在進行LED驅動器設計時也不例外,事實上它麵對更大的預算壓力,因為傳統的照明技術已經完全實現了商品化,其價格已經非常低廉。
所以,花好預算下的每一分錢都非常重要,這也是一些電力電子設計師工程師被老習慣‘引入歧途’的地方。
要將LED電流的精確度控製到與數位負載的供電電壓的精度相同,則會既浪費電,又浪費錢。
100mA到1A是當前大多數產品的電流範圍,特別是目前350mA(或者更確切地說,光電半導體結的電流密度為350mA/mm2)是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案。
控製LED驅動器的積體電路是矽基的,所以在1.25V的範圍內有一個典型的帶隙。
要在1.25V處達到1%的容差,亦即需要±12.5mV的電壓範圍。
這並不難實現,能達到這種容差或更好容差範圍的低價電壓參考電路或電源控製IC種類繁多,價格低廉。
當控製輸出電壓時,可在極低功率下使用高精度電阻來回饋輸出電壓(如圖1a所示)。
為控製輸出電流,需要對回饋方式做出一些調整,如圖1b所示。
這是目前控製輸出電流的唯一且最簡單的手段。
深入研究之後,就會發現這樣做的一個主要缺點是:負載和回饋電路二者是完全相同的。
參考電壓被加在與LED串聯的一個電阻上,這意味著參考電壓或LED電流越高,電阻消耗的功率越大。
所以,第一代專用LED驅動積體電路的參考電壓要遠低於現在的產品,這類似於電池充電器。
電壓更低意味著功耗更低,也意味著更小、更便宜、更低損耗的電流檢測電阻。
在圖1b所示的簡單的低端回饋環境下,200mV是常規的電壓選擇。
但是,要在200mV參考電壓下實現±1%的容差,則需要一個價格很高的積體電路,此時相對於標稱參考電壓的容差為±2mV。
盡管這並不是不可能實現的,不過更高的精度需要更高的成本。
±2mV的容差需要高精度電壓參考所需的生產、測試和分級技術,此時,附加成本應花費在更智慧的LED驅動器上。
新的費用的價值是增加了一個反饋回路,借助該回路,可以利用光輸出(而非電流輸出)來控製如何驅動LED。
測量光輸出
就像數位產品設計師在電源設計中遇到不確定問題時會采取模擬解決問題那樣,電力電子工程師出身的係統架構師在進行LED燈具設計時會想到高精度的輸出。
LED製造商已經清楚的表明,光通量與前向電流成正比。
利用相同的電流驅動所有LED,那麽每個LED會產生相同的光通量。
因此,電力電子工程師就會得出結論:高精確度的電流是必須的。
這樣一來,他們就忘記了光輸出的流明和勒克斯值(而不是安培值)才是重點。
測量電流是很容易的,而相對的,測量光則需要昂貴的大型設備,如圖2所示的積分球,而大部分電子工程師對積分球都不太了解。
另外,即使容差為±0.1%的電流源(其價格會相當高)有巨大的市場價值,它對在實際光輸出中產生嚴格的容差值上沒有什麽作用。
透過觀察LED光通量的分級可以確定這一點。
表1給出了世界三大頂級電力光電半導體製造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結果。
注意最後一列是各分級的容差平均值,而不是所有光通量分級範圍內的容差。



全球前二大光電半導體製造商的高階冷白光LED在350mA和25℃下的光通量分級結果
計算光輸出精度
了解到來自單個通量分級的LED光輸出會有±3%到±10%的容差之後,係統工程師可能會因此得出結論:驅動電流容差值必須是越嚴格越好。
然而從統計學角度來看,該觀點並不正確。
一個常見的但不正確的假設是:任何值的整體容差都等於最壞條件下各值的簡單加總僅。
為LED供電的電流源的容差和LED光通量的容差是互不相關的──它們在最初階段就已相互獨立。
對於不相關的兩個因數X和Y,整體容差Z並不是X和Y的容差之和,而是應該利用下述運算式進行計算:

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