高亮度LED的結構特點和應用

雖然 LED 是電流器件--高亮度 LED 也不例外,但汽車尾燈、刹車、轉向信號照明等應用場合仍能受益於電壓驅動器結構。

當效率更高的 LED 可供使用時,零售店和住宅的LED室內照明將可能很快出現。LED 製造商們只是剛剛開始解決高色溫光源問題。

由於高亮度 LED 製造工藝、器件設計、組裝技術三方面的進展, LED 發光器的性能一直在提高,其成本一直在降低,性能提高和成本降低的速度都令人難忘。PN結設計、再輻射磷光體和透鏡結構都有助於提高效率,因此也有助於提高可獲得的光輸出(附文《實驗室中的 LED》)。就高輸出白光 LED 而言,寬光譜性能的提高使人對普通照明用的低維護高能效光源抱有希望。

雖然實現可與標準螢光燈媲美的 LED 效率還需要一段時間,但正如半導體照明行業協會主席 Yung S Liu 所說:"LED 燈也是比較環保的產品,因為它與螢光燈不一樣,不使用水銀。"

固態照明在成分和工作效率方面的環保優勢目前並不是主要的市場推動因素,但確實使這種技術及其供應商有了良好的形象。

與此同時,在各種領域工作的 OEM 設計師和推銷人員一直在擴大固態照明的實際應用範圍,並一直密切注視著市場的接受程度。然而,最終使用者在固體照明設備壽命內的成本利益體驗各不相同,這與傳統照明設備大相徑庭。這個事實使市場的價值觀變複雜化。與鎢絲燈泡和螢光燈泡相比,高亮度 LED 的使用成本和維護成本低得多,這就可以抵消 LED 較高的初始成本。儘管以上論述也許是很吸引人的,但卻令其在"價格第一,其他第二"思想傾向支配的消費市場上造成很大的推銷難度。

燈夾具製造商歷來在各自設計中不考慮燈泡的熱管理,只是提供足夠對流來確保鎢絲燈的高工作溫度不會帶來周圍材料失火危險或夾具操作者灼傷危險。這一事實使高輸出固態照明設備的大批量生產複雜化。然而,如果最終的設計是要使 LED 的光輸出和工作壽命最佳,則高亮度 LED 的夾具就需要一定的熱設計。

因此,雖然不會很快看到高亮度 LED 把傳統鎢絲燈或螢光燈從五金店和家庭中心貨架上擠出去,但這些器件正在打入汽車、交通控制、外部標誌等市場段,因為在所有這些領域,燈的高效率和長壽命會增加顯而易見的價值。

高亮度 LED 斬露頭角

實際上,很少聽到有人在同一句話中使用"早期採用者"和"汽車市場段"兩個短語。一些人也許會斷言,這種並置會在矛盾修飾法中大行其道。然而,高亮度 LED 給汽車製造商帶來了幾個引人注目的特性,而且,雖然這種應用比較新,但它們的基本特性多數來源於製造 LED 指示器--比它們老得多並且已得到了很好證明的類似產品--的相同原理和類似工藝。

LED 汽車尾燈、轉向信號燈、工作燈、刹車燈可克服鎢絲白熾燈固有的幾大缺點。汽車常常受到的中等程度衝擊和震動會縮短燈絲壽命。同樣,由燈絲電阻正溫度係數引起的瞬間浪湧電流會加速燈泡的毀壞。熱回圈--刹車燈工作的一個重要特性,往往會縮短白熾燈壽命。

白熾燈泡的瞬間浪湧電流也使電路保護和故障檢測的任務變複雜化。汽車製造商必須把保險絲額定值和故障檢測閾值設定到足夠大的電流值,才能適應浪湧電流幅值和持續時間,而不會發生保險絲燒斷故障或不會檢測到假故障。

相比之下,在汽車遭受典型振幅和頻率範圍內的衝擊和震動的情況下,LED 結構比燈絲更牢固耐用。LGD結構的重量輕和尺寸小,從而可減少衝擊和震動產生的機械力矩。LED 尺寸小,還使汽車設計師能夠把照明燈設計得體積較小,並將其設計成更符合汽車總體設計的要求。例如,一些汽車不是把 CHMSL(中間高位刹車燈)模組安裝在後蓋板上,而是利用 LED 所需體積小這一點,把該功能包含在後備箱蓋中。

汽車尾燈照明與控制系統提出了幾個有趣的問題,這些問題也會出現在控制器件和被控制器件彼此相距很遠的其他系統中。LED 本質上是電流器件。電子空穴對在場致發光化合物內複合,並且在複合時發射光子。電流的增大會相應提高複合速度和光通量輸出。這一過程的效率不是 100%(幾乎達不到100%),因此電流的增大還會通過 1-h功耗增加器件的自熱。除非工作條件惡劣,否則 LED 一般不會像鎢絲燈那樣發生災難性故障,但卻往往會因老化而變暗。很多器件設計師把 LED 的壽命終止定義為光輸出降至初始值 50% 的時間。

過流和過熱條件會加快 LED 壽命終止,因此多數器件製造商建議 OEM 仔細控制 LED 的能源。

這些特性暗示,為了達到 LED 在汽車 CHMSL 或尾燈組件中的 11 年預期壽命,汽車車體控制模組應該以恒定電流來操作各個器件。然而,正如 Analog Devices 公司汽車市場專家 Bill Reidel 所說,恒流設計使車體控制模組和燈元件之間的佈線複雜化,並驅使設計師把功率控制 IC 從車體控制模組中取出,把它放入燈外殼中。恒壓驅動能使控制 IC 保留在需要控制IC故障檢測狀態資訊的控制模組內,而且能在同一設計中減少外部元件(即保險絲)的數量以及控制模組和燈外殼之間的佈線數量。

Texas Instruments 公司汽車應用工程師 Keith Wolford 贊同地說:"LED 控制 IC 的功能之一就是保險絲的功能。如果你把LED 驅動器放置在燈外殼中,你就必須把電傳送到那個位置,並給LED 驅動器裝保險絲……而如果你有一個中央照明模組,則你必須做的僅僅是給連接該模組的電源饋線裝保險絲。借助 LED 驅動器的診斷功能,如果連接某個燈外殼的電線短路,你就能用電子設備來保護它,而不必為每條燈外殼連線裝保險絲。"

Analog Devices 公司的 AD8240 LED 驅動器/監視器是這種方法的具體體現。該器件工作電流是 300mA,供電電壓範圍是 9V ~ 27V。 PWM 輸入控制著燈亮度,從而實現符合汽車規定的白天和夜晚不同最低亮度級。過流檢測電路由一個外部高壓側分流電阻器和一個片上比較器組成。如果分流電阻器兩端的電壓降超過參考電壓(一般是 5V),過流檢測電路就鎖住輸出驅動信號。鎖存器在每個 PWM 週期之後會復位。

分流電阻器和外部 PNP 傳送元件限制最高負載電流。製造商建議的0.1Ω ~ 0.5Ω分流電阻範圍對應於 2A ~ 0.4A 的最大負載電流。控制模組的微控制器通過一條 ADC 輸入通道來讀取 IC 檢測引腳的讀值,就能監視負載電流。售價為1.15 美元(1000 件批量)的 AD8240能 檢測開路負載、短路和局部故障,如一串串聯LED中的一個 LED 短路這種情形。這種驅動器/監視器IC採用 MSOP-8 封裝。

在需要低壓側控制器的設計中,設計師可以考慮使用Melexis公司的 MLX10801,因為MLX 10801採用 SO-8封裝,能在沒有外部傳送器件的情況下吸收550 mA絕對最大峰值電流和400 mA絕對最大平均電流。一種帶尾碼 A 的封裝選件採用帶熱襯墊的 MLPD-8 封裝,而所用裸晶片不變,從而把RΘJA從120K/W降低至37K/W。這種封裝改進可使絕對最大峰值電流和絕對最大平均值電流分別提高至1.2A和750mA。

一根診斷引腳使本機微控制器能通過一個ADC通道來監視負載電流。那些驅動器/監視器晶片多於ADC通道的設計可以求出接地電流之和,並且借助一根類比輸入引腳來監視總接地電流(圖2)。

Melexis 公司的 MLX10801 的特點是一組瞬態脈衝、 40V負載轉儲以及不正常引發的欠壓條件,這些都是該器件必須承受的預期非標準工作條件。一個可程式設計非易失資料鎖存器使 OEM 能通過一個片上檢測二極體或外部檢測二極體來進行溫度測量。一根控制輸入引腳可實現 PWM 調光,這是 LED 驅動器的一個常見特性。使這一控制輸入引腳保持低電平32毫秒以上,就會迫使驅動器進入睡眠模式,從而使其靜態電流從2mA減小至 105mA。使該控制輸入引腳保持高電平8mS,就可啟動一個隻持續300mS的喚醒序列。


 

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