高亮度LED的結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)用分析
發(fā)布時(shí)間：2008-12-03
作者：ccy
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概要：
雖然LED是電流器件——高亮度LED也不例外，但汽車(chē)尾燈、剎車(chē)、轉(zhuǎn)向信號(hào)照明等應(yīng)用場(chǎng)合仍能受益于電壓驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。當(dāng)效率更高的LED可供使用時(shí)，零售店和住宅的LED室內(nèi)照明將可能很快出現(xiàn)。LED制造商們只是剛剛開(kāi)始解決高色溫光源問(wèn)題。
雖然LED是電流器件——高亮度LED也不例外，但汽車(chē)尾燈、剎車(chē)、轉(zhuǎn)向信號(hào)照明等應(yīng)用場(chǎng)合仍能受益于電壓驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。
當(dāng)效率更高的LED可供使用時(shí)，零售店和住宅的LED室內(nèi)照明將可能很快出現(xiàn)。LED制造商們只是剛剛開(kāi)始解決高色溫光源問(wèn)題。
由于高亮度LED制造工藝、器件設(shè)計(jì)、組裝技術(shù)三方面的進(jìn)展，LED發(fā)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(jié)設(shè)計(jì)、再輻射磷光體和透鏡結(jié)構(gòu)都有助于提高效率，因此也有助于提高可獲得的光輸出。就高輸出白光LED而言，寬光譜性能的提高使人對(duì)普通照明用的低維護(hù)高能效光源抱有希望。
雖然實(shí)現(xiàn)可與標(biāo)準(zhǔn)熒光燈媲美的LED效率還需要一段時(shí)間，但LED燈也是比較環(huán)保的產(chǎn)品，因?yàn)樗c熒光燈不一樣，不使用水銀。
固態(tài)照明在成分和工作效率方面的環(huán)保優(yōu)勢(shì)目前并不是主要的市場(chǎng)推動(dòng)因素，但確實(shí)使這種技術(shù)及其供應(yīng)商有了良好的形象。
與此同時(shí)，在各種領(lǐng)域工作的OEM設(shè)計(jì)師和推銷(xiāo)人員一直在擴(kuò)大固態(tài)照明的實(shí)際應(yīng)用范圍，并一直密切注視著市場(chǎng)的接受程度。然而，最終用戶(hù)在固體照明設(shè)備壽命內(nèi)的成本利益體驗(yàn)各不相同，這與傳統(tǒng)照明設(shè)備大相徑庭。這個(gè)事實(shí)使市場(chǎng)的價(jià)值觀變復(fù)雜化。與鎢絲燈泡和熒光燈泡相比，高亮度LED的使用成本和維護(hù)成本低得多，這就可以抵消LED較高的初始成本。盡管以上論述也許是很吸引人的，但卻令其在“價(jià)格第一，其它第二”思想傾向支配的消費(fèi)市場(chǎng)上造成很大的推銷(xiāo)難度。
燈夾具制造商歷來(lái)在各自設(shè)計(jì)中不考慮燈泡的熱管理，只是提供足夠?qū)α鱽?lái)確保鎢絲燈的高工作溫度不會(huì)帶來(lái)周?chē)牧鲜Щ鹞ｋU(xiǎn)或夾具操作者灼傷危險(xiǎn)。這一事實(shí)使高輸出固態(tài)照明設(shè)備的大批量生產(chǎn)復(fù)雜化。然而，如果最終的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。
因此，雖然不會(huì)很快看到高亮度LED把傳統(tǒng)鎢絲燈或熒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(chē)、交通控制、外部標(biāo)志等市場(chǎng)段，因?yàn)樵谒羞@些領(lǐng)域，燈的高效率和長(zhǎng)壽命會(huì)增加顯而易見(jiàn)的價(jià)值。
高亮度LED斬露頭角
實(shí)際上，很少聽(tīng)到有人在同一句話中使用“早期采用者”和“汽車(chē)市場(chǎng)段”兩個(gè)短語(yǔ)。一些人也許會(huì)斷言，這種并置會(huì)在矛盾修飾法中大行其道。然而，高亮度LED給汽車(chē)制造商帶來(lái)了幾個(gè)引人注目的特性，而且，雖然這種應(yīng)用比較新，但它們的基本特性多數(shù)來(lái)源于制造LED指示器——比它們老得多并且已得到了很好證明的類(lèi)似產(chǎn)品——的相同原理和類(lèi)似工藝。
LED汽車(chē)尾燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、工作燈、剎車(chē)燈可克服鎢絲白熾燈固有的幾大缺點(diǎn)。汽車(chē)常常受到的中等程度沖擊和震動(dòng)會(huì)縮短燈絲壽命。同樣，由燈絲電阻正溫度系數(shù)引起的瞬間浪涌電流會(huì)加速燈泡的毀壞。熱循環(huán)——?jiǎng)x車(chē)燈工作的一個(gè)重要特性，往往會(huì)縮短白熾燈壽命。
白熾燈泡的瞬間浪涌電流也使電路保護(hù)和故障檢測(cè)的任務(wù)變復(fù)雜化。汽車(chē)制造商必須把保險(xiǎn)絲額定值和故障檢測(cè)閾值設(shè)定到足夠大的電流值，才能適應(yīng)浪涌電流幅值和持續(xù)時(shí)間，而不會(huì)發(fā)生保險(xiǎn)絲燒斷故障或不會(huì)檢測(cè)到假故障。
相比之下，在汽車(chē)遭受典型振幅和頻率范圍內(nèi)的沖擊和震動(dòng)的情況下，LED結(jié)構(gòu)比燈絲更牢固耐用。LGD結(jié)構(gòu)的重量輕和尺寸小，從而可減少?zèng)_擊和震動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械力矩。LED尺寸小，還使汽車(chē)設(shè)計(jì)師能夠把照明燈設(shè)計(jì)得體積較小，并將其設(shè)計(jì)成更符合汽車(chē)總體設(shè)計(jì)的要求。例如，一些汽車(chē)不是把CHMSL（中間高位剎車(chē)燈）模塊安裝在后蓋板上，而是利用LED所需體積小這一點(diǎn)，把該功能包含在后備箱蓋中。
汽車(chē)尾燈照明與控制系統(tǒng)提出了幾個(gè)有趣的問(wèn)題，這些問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)在控制器件和被控制器件彼此相距很遠(yuǎn)的其它系統(tǒng)中。LED本質(zhì)上是電流器件。電子空穴對(duì)在場(chǎng)致發(fā)光化合物內(nèi)復(fù)合，并且在復(fù)合時(shí)發(fā)射光子。電流的增大會(huì)相應(yīng)提高復(fù)合速度和光通量輸出。這一過(guò)程的效率不是100％（幾乎達(dá)不到100％），因此電流的增大還會(huì)通過(guò)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(huì)像鎢絲燈那樣發(fā)生災(zāi)難性故障，但卻往往會(huì)因老化而變暗。很多器件設(shè)計(jì)師把LED的壽命終止定義為光輸出降至初始值50％的時(shí)間。過(guò)流和過(guò)熱條件會(huì)加快LED壽命終止，因此多數(shù)器件制造商建議OEM仔細(xì)控制LED的能源。
這些特性暗示，為了達(dá)到LED在汽車(chē)CHMSL或尾燈組件中的11年預(yù)期壽命，汽車(chē)車(chē)體控制模塊應(yīng)該以恒定電流來(lái)操作各個(gè)器件。然而，正如AnalogDevices公司汽車(chē)市場(chǎng)專(zhuān)家BillReidel所說(shuō)，恒流設(shè)計(jì)使車(chē)體控制模塊和燈組件之間的布線復(fù)雜化，并驅(qū)使設(shè)計(jì)師把功率控制IC從車(chē)體控制模塊中取出，把它放入燈外殼中。恒壓驅(qū)動(dòng)能使控制IC保留在需要控制IC故障檢測(cè)狀態(tài)信息的控制模塊內(nèi)，而且能在同一設(shè)計(jì)中減少外部元件（即保險(xiǎn)絲）的數(shù)量以及控制模塊和燈外殼之間的布線數(shù)量。
AnalogDevices公司的AD8240LED驅(qū)動(dòng)器/監(jiān)視器是這種方法的具體體現(xiàn)。該器件工作電流是300mA，供電電壓范圍是9V~27V。PWM輸入控制著燈亮度，從而實(shí)現(xiàn)符合汽車(chē)規(guī)定的白天和夜晚不同最低亮度級(jí)。過(guò)流檢測(cè)電路由一個(gè)外部高壓側(cè)分流電阻器和一個(gè)片上比較器組成。如果分流電阻器兩端的電壓降超過(guò)參考電壓（一般是5V），過(guò)流檢測(cè)電路就鎖住輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。鎖存器在每個(gè)PWM周期之后會(huì)復(fù)位。
分流電阻器和外部PNP傳送元件限制最高負(fù)載電流。制造商建議的0.1Ω~0.5Ω分流電阻范圍對(duì)應(yīng)于2A~0.4A的最大負(fù)載電流?？刂颇K的微控制器通過(guò)一條ADC輸入通道來(lái)讀取IC檢測(cè)引腳的讀值，就能監(jiān)視負(fù)載電流。售價(jià)為1.15美元（1000件批量）的AD8240能檢測(cè)開(kāi)路負(fù)載、短路和局部故障，如一串串聯(lián)LED中的一個(gè)LED短路這種情形。這種驅(qū)動(dòng)器/監(jiān)視器IC采用MSOP-8封裝。
在需要低壓側(cè)控制器的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師可以考慮使用Melexis公司的MLX10801，因?yàn)镸LX10801采用SO-8封裝，能在沒(méi)有外部傳送器件的情況下吸收550mA絕對(duì)最大峰值電流和400mA絕對(duì)最大平均電流。一種帶后綴A的封裝選件采用帶熱襯墊的MLPD-8封裝，而所用裸芯片不變，從而把RΘJA從120K/W降低至37K/W。這種封裝改進(jìn)可使絕對(duì)最大峰值電流和絕對(duì)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(jī)微控制器能通過(guò)一個(gè)ADC通道來(lái)監(jiān)視負(fù)載電流。那些驅(qū)動(dòng)器/監(jiān)視器芯片多于ADC通道的設(shè)計(jì)可以求出接地電流之和，并且借助一根模擬輸入引腳來(lái)監(jiān)視總接地電流。
Melexis公司的MLX10801的特點(diǎn)是一組瞬態(tài)脈沖、40V負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)以及不正常引發(fā)的欠壓條件，這些都是該器件必須承受的預(yù)期非標(biāo)準(zhǔn)工作條件。一個(gè)可編程非易失數(shù)據(jù)鎖存器使OEM能通過(guò)一個(gè)片上檢測(cè)二極管或外部檢測(cè)二極管來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。一根控制輸入引腳可實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光，這是LED驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)常見(jiàn)特性。使這一控制輸入引腳保持低電平32毫秒以上，就會(huì)迫使驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入睡眠模式，從而使其靜態(tài)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(dòng)一個(gè)只持續(xù)300mS的喚醒序列。
