想象一下收到一個燈泡作為禮物會是什么樣的情形。用于替代螺旋燈泡的LED燈稀少而昂貴，我居然在去年圣誕節(jié)的時候收到了這樣一份禮物。不過我們正逐漸走向這樣一個交叉路口：LED燈將越來越普及，價格越來越便宜，到一定程度時，它們將擔(dān)負(fù)起為世界照明的重?fù)?dān)。

         我們并不是簡單地將采用LED技術(shù)的新型燈泡狀物體扭進(jìn)舊裝置中。今后再也沒有必要把光源看成是一次性物品。很快，燈泡(包括點亮的部分)的使用壽命將超過燈泡用戶的壽命。此外，由于LED燈是瞬時開啟和關(guān)斷的，并且電源周期不會造成其使用壽命縮短，因此我們可以只在需要時打開LED燈。

        這對于使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)家來說是一個潛在優(yōu)勢，對于城市和建筑所有者來說則有可能實現(xiàn)大幅節(jié)能。甚至最后警察和私人保安都傾向于只在響應(yīng)運(yùn)動傳感器時才打開夜間照明燈，因為這種燈可以幫助他們分辨壞人在哪里。不過，這種技術(shù)確實處于其發(fā)展的初期階段，它需要一些時間來逐漸適應(yīng)。

         LED的物理原理

         任何二極管處于傳導(dǎo)狀態(tài)時，無論電子與空穴何時復(fù)合，都會以光子的形式散發(fā)一定的能量。光色(光子的能量)取決于半導(dǎo)體材料的能帶隙。砷化鋁鎵(AlGaAs)和其他材料發(fā)紅光。氮化銦鎵(InGaN)發(fā)綠光。硒化鋅(ZnSe)發(fā)藍(lán)光。

        可以通過整合紅光二極管、綠光二極管和藍(lán)光二極管來產(chǎn)生白光。不過，我們非常熟悉的高亮度(HB)白光二極管整合的是藍(lán)光InGaN二極管和黃 色熒光粉(一般為摻鈰釔鋁石榴石，Ce3+:YAG)。

         當(dāng)白光LED使用熒光粉時會發(fā)生非常有意思的、有用的事情。在稱為斯托克斯(Stokes)位移的量子效應(yīng)期間，熒光粉層發(fā)出的光子所具備的能量低于其從藍(lán)光LED吸收的光子的能量(圖1)。在高亮度白光LED中，一小部分藍(lán)光發(fā)生斯托克斯位移后具有更長的波長。這是好事情，因為這使得LED廠商可以使用許多不同顏色的熒光粉層，從而擴(kuò)展發(fā)射光譜，有效地提高LED的顯色指數(shù)(CRI)。

        也就是說，對于LED來講，不應(yīng)該只考慮白光，而應(yīng)該盡可能地精確反映LED燈照射的物體的所有顏色。CRI是一個相當(dāng)難以度量的指標(biāo)，它表示被人工照明的物體的顏色與在實際太陽光下所顯示的顏色的接近程度，我們用該指標(biāo)作為“白”光的標(biāo)準(zhǔn)。

         采用熒光粉的白光LED獲得的高CRI是有代價的，因為斯托克斯位移會造成白光LED的效率低于單色LED的效率。不過對于大多數(shù)普通的照明應(yīng)用而言，高CRI勝過效率。

         持續(xù)不斷的改進(jìn)

         根據(jù)可與摩爾定律媲美的海茲定律(以Roland Haitz命名)，商業(yè)LED的最大光輸出每36個月左右會翻一番。該定律對產(chǎn)品開發(fā)有著極大的作用。基本上，從現(xiàn)在起一年半內(nèi)主流的LED都將可以提供如今最貴的LED的光輸出。借助未來的產(chǎn)品，最先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計將采用越來越少的LED。

        推動海茲定律的其中一個因素與難以獲取二極管半導(dǎo)體材料的光子有關(guān)，這種材料往往具有比較高的折射率。如果光子無法通過半導(dǎo)體材料與其周圍的空氣(或真空)之間的接觸面，它就會反射回半導(dǎo)體材料中，并被這種材料吸收。

         如果半導(dǎo)體材料是立方體形狀，它只會或多或多地發(fā)出與立方體的一面或另一面垂直的光。(回顧一下Physics 102和有關(guān)討論“臨界角”的光學(xué)章節(jié)部分。)因此，僅僅是切割LED晶圓，并將這些芯片當(dāng)作某種半導(dǎo)體器件，顯然是不符合要求的。

         如果你從未處理過平面基板上沉積的二極管處延材料，那么你可能會想到模仿金剛石刀具來在這種材料上雕琢小平面。不過最切實可行的做法是，將LED放在折射率介于半導(dǎo)體材料與空氣之間的透明塑料材料中，同時將團(tuán)狀的塑料塑造成球形或半球形，從而增加兩個表面的臨界角。

         基本LED驅(qū)動

          LED的驅(qū)動應(yīng)該比較簡單。它們是二極管，具有一定的正向壓降，其光輸出取決于電流，任何給定的二極管都有一個電流極限值。這看起來像一組可管理的參數(shù)，不過情況開始變得越來越復(fù)雜。就傳統(tǒng)二極管而言，LED電流隨電壓呈指數(shù)級變化。(這就是肖克利(Shockley)二極管方程)

         不必多說，這里討論的不是歐姆定律。電壓的微小變化會導(dǎo)致電流發(fā)生很大的變化。這就是為什么在多數(shù)情況下LED采用恒流源驅(qū)動的原因。采用一組手表電池供電的便宜的袖珍手電筒是一個值得注意卻不吸引人的特例。這些電池很貴，但使用時間卻不長。優(yōu)質(zhì)手電筒采用傳統(tǒng)電池和微型升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器。這種手電筒價格昂貴，不過可以讓傳統(tǒng)的AAA堿性電池工作幾個月的時間。

        多個LED

         在考慮驅(qū)動電路之前，需要進(jìn)行早期的設(shè)計決策，包括陣列中LED互連的配置。除了袖珍手電筒之外，很少有應(yīng)用只采用單個LED。無論是街燈中的屏幕背光LED陣列，還是替代白熾燈或熒光燈的LED方案，大多數(shù)設(shè)計都需要多個LED。

        設(shè)計人員必須首先作出的其中一個決策是以串聯(lián)、并聯(lián)還是作為LED串的并聯(lián)陣列方式驅(qū)動LED。一般來講，以并聯(lián)方式驅(qū)動許多單個LED并不可取，因為這會導(dǎo)致非均勻電流共享(即使LED全部具有相同的額定正向壓降)。

         采用串聯(lián)驅(qū)動LED的方式又會引起單個LED出現(xiàn)故障時自動打開的情況下出現(xiàn)的問題。在每個LED處采用并聯(lián)的齊納二極管或硅控整流器(SCR)可以解決這個問題，不過成本比較高。SCR比較具有吸引力，因為在必須處理失效LED時，它們的功耗較低。

         最佳的策略也許是承認(rèn)單個LED失效與整個LED串失效一樣嚴(yán)重，然后實現(xiàn)魯棒的熱設(shè)計，最大限度地減少所有LED在應(yīng)有的產(chǎn)品使用壽命內(nèi)發(fā)生熱應(yīng)力引起的故障的機(jī)會。

        如果設(shè)計人員采用多個并聯(lián)LED串，那么與采用較少具有足夠輸出能力的驅(qū)動器(理想情況下是一個)來驅(qū)動多個并聯(lián)LED串相比，每個LED串采用獨立驅(qū)動器所花費(fèi)的成本將更高。

        采用多個LED串往往會引起電流共享問題，這樣就需要采用第一個案例中的LED串，不過仍有必要針對每個LED串采用一個鎮(zhèn)流電阻。設(shè)計人員可以計算電阻值，假設(shè)目標(biāo)為通過LED串的正壓降的變化控制在±10%以內(nèi)，并且假設(shè)需要匹配每個并聯(lián)LED串中的電流，以便該電流的變化控制在±20%以內(nèi)。

         假設(shè)對于每個LED串而言，LED正向壓降與通過鎮(zhèn)流電阻的電壓之和應(yīng)等于驅(qū)動器標(biāo)稱輸出電壓的80%。根據(jù)這一點即可算出鎮(zhèn)流電阻和恒流驅(qū)動器的額定電流。另一個比較簡單的方案是購買匹配且交叉連接的串聯(lián)/并聯(lián)LED串陣列，如Philips公司的Luxeon Flood產(chǎn)品。

          動態(tài)背光

         普通的照明陣列與背光陣列除了光輸出、陣列間隔和更均勻的照明效果之外就幾乎不存在其它差別了。不過當(dāng)背光強(qiáng)度與移動視頻圖像動態(tài)匹配時，情況有所變化。

        動態(tài)背光可以產(chǎn)生與背光屏幕上的圖像流明值相對應(yīng)的局部背光強(qiáng)度變化，其日益普及的原因有兩個。

         首先，動態(tài)背光會增加被顯示圖像的明顯動態(tài)范圍(或?qū)Ρ榷?。其次，通過對背光中的部分LED進(jìn)行節(jié)流，動態(tài)背光可以降低總能耗。它對于在商店中通過比較顯示屏選擇高端電視機(jī)的顧客有很大的影響(圖2)；在很大程度上也是一種延長移動設(shè)備中的電池使用時間的方法。

         圖2：動態(tài)背光可調(diào)節(jié)電視屏幕背光陣列中單個LED的亮度，從而與顯示圖像的流明值匹配，提高顯示屏的感知對比度。

         我第一次看到動態(tài)背光是在恩智浦公司(NXP)的新聞發(fā)布會上，那次演示讓我想起了我大學(xué)時期的某個夏季在一家電視臺工作的情境。我在這里工作的第一天掌握了很多理論知識，但是都不是實踐知識。因此，他們讓我在一臺攝像機(jī)控制裝置后面坐下，并向我介紹控制絕對黑電平和白電平的旋鈕。

          由于電視臺的節(jié)目安排都是老電影，因此必需要有一個人工操作員。因為好萊塢導(dǎo)演喜歡采用各種對比度的膠片以藝術(shù)方式為拍攝現(xiàn)場提供照明(這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了舊的RS-170視頻的處理能力)，因此這樣就使得電視攝像操作變得比較復(fù)雜。我第一天的工作就是消除它們的藝術(shù)效果。

         這是一種似曾相識的經(jīng)歷，四十年后，我在NXP的會議室里觀看一些IC驅(qū)動日立高清電視機(jī)上的LED背光，以便在信號鏈的顯示端進(jìn)行一些處理，這與我曾經(jīng)在攝像機(jī)端做過的操作類似，不過這種操作并沒有怎么冒犯電影導(dǎo)演的初衷。

         動態(tài)背光的一個重要考慮因素是粒度。每個背光LED都可以照亮相當(dāng)多的像素，因此光強(qiáng)度的變化必須逐漸擴(kuò)展到LED的各個行和列。即使是這樣，這也比我以前通過增益和設(shè)置控制達(dá)到的效果要好。

          可控硅調(diào)光

         脈寬調(diào)制(PWM)可以控制LED光輸出。為了實現(xiàn)動態(tài)背光，驅(qū)動器需要高帶寬控制通道。許多創(chuàng)新都源于為順應(yīng)傳統(tǒng)可控硅和SCR調(diào)光器的調(diào)光輸入而采用LED替代白熾燈源和熒光燈源的需求。這也是傳統(tǒng)技術(shù)拖累新一代技術(shù)的其中一個案例。

         調(diào)光部件很容易采用恒流直流電源供電。此時的挑戰(zhàn)在于根據(jù)LED方案沒有的控制器來實現(xiàn)調(diào)光。這樣，基本調(diào)光就只是一個改變脈寬調(diào)制恒流方波工作周期的過程，它會相當(dāng)快地進(jìn)行開關(guān)，從而避免產(chǎn)生可察覺的閃爍。

         憑經(jīng)驗來講，超過100Hz(歐洲主要頻率的兩倍)就足夠了。事實上，歐洲管制機(jī)構(gòu)正在開始關(guān)注當(dāng)LED驅(qū)動器AC-DC前端中的功率因數(shù)校正(PFC)給施加給LED的波形帶來諧波時的這種相對較低的速率和短工作周期。

         在處理難題之前，需要先考慮可控硅調(diào)光器引起的一些基本問題，可控硅調(diào)光器是通過中斷交流波形的每個半周期部分來控制簡單的白熾燈的亮度的。如果負(fù)載是燈泡的燈絲，這個問題就是小事一樁，不過如果負(fù)載是恒流驅(qū)動器IC的話，這個問題就不簡單了(請參見www.electronicdesign.com 上的“High-Brightness White LEDs Light The Way To Greener Illumination”一文)。

         例如，美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)的LM3445降壓控制器是一款可控硅調(diào)光驅(qū)動器。事實上，NSC公司的工程師開發(fā)了一款專有的恒定關(guān)斷時間方案，用于維持整個LED串中的恒流(圖3)。這實際上是一種脈沖頻率調(diào)制，因為采用恒定關(guān)斷時間時，導(dǎo)通時間就成了唯一的變量。這樣，通過改變切換頻率來控制導(dǎo)通時間就可以輕松實現(xiàn)了。

         圖3：美國國家半導(dǎo)體的LM3445是首款用于普通照明LED產(chǎn)品的驅(qū)動器，它允許采用傳統(tǒng)可控硅調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光。

          LM3445的輸入端有一個齊納橋。此齊納橋后面的“填谷”電路可使斬波操作更加順利，并允許降壓穩(wěn)壓器即使在可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時也可以汲取功率。

          此IC的外接電路需要一個仿真白熾燈燈絲電阻的“泄漏”電阻，這種電阻是傳統(tǒng)照明電路中的可控硅中的一部分。“泄漏電阻”一般是指穿過交流電源的輸出電容的電阻。這里的“泄漏電阻”消耗掉流經(jīng)關(guān)斷狀態(tài)下的可控硅的小電流。

        在泄漏電阻的同一節(jié)點處，有一個帶一個15V齊納管和一個電源調(diào)整三極管的外部電路。電源調(diào)整三極管與大多數(shù)穩(wěn)壓線路電壓“保持一定距離”，因此，此IC的感應(yīng)引腳上的電壓在降至齊納橋的閾值以下時就會隨穩(wěn)壓線路電壓的變化而變化。

         相對于交流線路波形45°至135°的可控硅調(diào)光器發(fā)射角，LM3445具有10%至100%的調(diào)光范圍。該電路部分基于斜坡發(fā)生器和比較器。斜坡比較器的輸出通過施密特觸發(fā)器驅(qū)動共源極N溝道MOSFET，MOSFET的漏極電壓與可控硅調(diào)光器的工作周期成正比。還有另外一個用于設(shè)置PWM關(guān)斷時間的電路。通過一個電阻來設(shè)置驅(qū)動LED電流的實際電流。

         凌力爾特公司(Linear Technology)的LT3799針對類似的可控硅控制的應(yīng)用(圖4a)。該器件的設(shè)計人員對從AC-DC級開始的功率轉(zhuǎn)換級投入了大量工作，與NSC公司的升壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)相比，其AC/DC級采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)。其目的在于使整流部分的功率因數(shù)在整個調(diào)光范圍內(nèi)盡可能接近統(tǒng)一，而不會將有害的諧波傳到轉(zhuǎn)換鏈中。

          圖4：凌力爾特發(fā)布的LT3799(a)利用了可控硅電壓(頂部)與驅(qū)動電流脈沖(底部)(b)之間的關(guān)系。

         強(qiáng)調(diào)PFC的意義在于滿足歐洲IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的要求，該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)線路頻率的諧波來規(guī)定功率因數(shù)的，而不是將功率因數(shù)規(guī)定為電力線上的電壓與電流之間的相位角。功率因數(shù)的這兩個定義是等效的，兩個定義都與負(fù)載電抗有關(guān)，但相關(guān)的方式有所不同。

         每一個整流電路都包含一個大輸出電容，這個電容可儲存和平滑來自整流二極管的脈動直流。平滑操作的結(jié)果是，負(fù)載從每個交流輸入周期某一部分的線路汲取能量。在每個周期的其余部分，負(fù)載從電容汲取能量。雖然交流線路電壓為正弦電壓，但交流線路電流卻是尖峰電流，頻率呈傅立葉級數(shù)，為交流線路頻率的倍數(shù)。

         IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每個諧波(多達(dá)32次諧波)允許的最大值。凌力爾特的芯片旨在滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過主動PFC將功率因數(shù)保持在0.97以上。

        采用凌力爾特的PFC方法的其中一個優(yōu)勢是它實際上可以簡化可控硅調(diào)光。LT3799采用隔離型反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器次級輸出饋回至初級端進(jìn)行控制，就像在任何反激式結(jié)構(gòu)中一樣。不過，與大多數(shù)反激式級不同的是，該級采用第三變壓器繞組進(jìn)行隔離，而不是采用光耦進(jìn)行隔離。

         該芯片在工作時通過從感應(yīng)電阻獲得的外部MOSFET峰值電流信息來計算轉(zhuǎn)換器的輸出電流。(請參見LT3799數(shù)據(jù)手冊第9頁和第10頁，網(wǎng)址為http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3799f.pdf)。當(dāng)主電源關(guān)斷時，LT3799還可以通過第三繞組上的電壓來檢測和報告打開的LED串。正常工作時，第三繞組不僅可以感應(yīng)輸出電壓，還能向IC供電。

          為實現(xiàn)0.97以上的功率因數(shù)，PFC電路在臨界導(dǎo)通模式下工作，也就是介于連續(xù)導(dǎo)通模式與斷續(xù)導(dǎo)通模式的邊沿。

         雖然前端比較復(fù)雜，不過根據(jù)可控硅導(dǎo)通的AC波形的每個半周期的持續(xù)時間對LED串進(jìn)行調(diào)光的實際過程非常簡單明了。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，可控硅調(diào)光器在關(guān)斷時并不是理想的開關(guān)，因為它們允許流經(jīng)數(shù)毫安的電流。

          事實上，這是可控硅的一個明顯特征。其他公司的調(diào)光控制器提供像白熾燈燈泡的燈絲一樣的電阻性負(fù)載，用來實現(xiàn)可控硅觸發(fā)。在凌力爾特的驅(qū)動器中，主電源MOSFET保持導(dǎo)通狀態(tài)，以便正確地加載可控硅，而不是在可控硅關(guān)斷時關(guān)斷主電源MOSFET。當(dāng)可控硅導(dǎo)通時，驅(qū)動器檢測到這一狀態(tài)，從而實現(xiàn)控制回路。

          當(dāng)調(diào)光器的可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時，泄漏電流仍然流經(jīng)LT3799的內(nèi)置濾波器。除變壓器初級繞組充當(dāng)分壓器之外，該電流對IC的輸入電容進(jìn)行充電，會引起隨機(jī)開關(guān)和LED閃爍。MOSFET柵級信號電平升高，以便在可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時MOSFET導(dǎo)通，從而能夠排出泄漏電流。可控硅一旦導(dǎo)通，MOSFET就會無縫地變回正常供電器件(圖4b)。

         頭痛和癲癇問題

       調(diào)光的決定性挑戰(zhàn)來自iWatt公司，這是一家無晶圓廠半導(dǎo)體公司，他們公司的調(diào)光器主要用于LED替換燈泡。這一特定的利基市場目前已由iWatt公司主導(dǎo)，其挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)驅(qū)動器能夠從數(shù)百個可控硅控制器中識別出哪個可控硅控制器正在使用，進(jìn)而根據(jù)該信息定制燈的行為。

         此外，該公司還表示，負(fù)責(zé)管理歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)的人員正在進(jìn)一步研究針對普通照明應(yīng)用的LED驅(qū)動器的AC-DC級中抑制的諧波。iWatt公司稱，這些諧波能夠以恒流輸出線路上的噪聲形式出現(xiàn)，這本身不會引起什么問題，只不過當(dāng)光輸出非常暗時，諧波可能會產(chǎn)生極其微小的閃爍，這可能會導(dǎo)致敏感人群出現(xiàn)頭痛或癲癇癥狀。這項研究目前尚處于初期階段，不過它會為IEC61000標(biāo)準(zhǔn)提供更多的零件編號信息。