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高亮度LED的结构特性及应用分析

导读: 虽然LED是电流器件——高亮度LED也不例外,但汽车尾灯、刹车、转向信号照明等应用场合仍能受益于电压驱动器结构。

    虽然LED是电流器件——高亮度LED也不例外,但汽车尾灯、刹车、转向信号照明等应用场合仍能受益于电压驱动器结构。


    当效率更高的LED可供使用时,零售店和住宅的LED室内照明将可能很快出现。LED制造商们只是刚刚开始解决高色温光源问题。


    由于高亮度LED制造工艺、器件设计、组装技术三方面的进展,LED发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难忘。PN结设计、再辐射磷光体和透镜结构都有助于提高效率,因此也有助于提高可获得的光输出。就高输出白光LED而言,宽光谱性能的提高使人对普通照明用的低维护高能效光源抱有希望。


    虽然实现可与标准荧光灯媲美的LED效率还需要一段时间,但LED灯也是比较环保的产品,因为它与荧光灯不一样,不使用水银。


    固态照明在成分和工作效率方面的环保优势目前并不是主要的市场推动因素,但确实使这种技术及其供应商有了良好的形象。


    与此同时,在各种领域工作的OEM设计师和推销人员一直在扩大固态照明的实际应用范围,并一直密切注视着市场的接受程度。然而,最终用户在固体照明设备寿命内的成本利益体验各不相同,这与传统照明设备大相径庭。这个事实使市场的价值观变复杂化。与钨丝灯泡和荧光灯泡相比,高亮度LED的使用成本和维护成本低得多,这就可以抵消LED较高的初始成本。尽管以上论述也许是很吸引人的,但却令其在“价格第一,其它第二”思想倾向支配的消费市场上造成很大的推销难度。


    灯夹具制造商历来在各自设计中不考虑灯泡的热管理,只是提供足够对流来确保钨丝灯的高工作温度不会带来周围材料失火危险或夹具操作者灼伤危险。这一事实使高输出固态照明设备的大批量生产复杂化。然而,如果最终的设计是要使LED的光输出和工作寿命最佳,则高亮度LED的夹具就需要一定的热设计。


    因此,虽然不会很快看到高亮度LED把传统钨丝灯或荧光灯从五金店和家庭中心货架上挤出去,但这些器件正在打入汽车、交通控制、外部标志等市场段,因为在所有这些领域,灯的高效率和长寿命会增加显而易见的价值。


    高亮度LED斩露头角


    实际上,很少听到有人在同一句话中使用“早期采用者”和“汽车市场段”两个短语。一些人也许会断言,这种并置会在矛盾修饰法中大行其道。然而,高亮度LED给汽车制造商带来了几个引人注目的特性,而且,虽然这种应用比较新,但它们的基本特性多数来源于制造LED指示器——比它们老得多并且已得到了很好证明的类似产品——的相同原理和类似工艺。


    LED汽车尾灯、转向信号灯、工作灯、刹车灯可克服钨丝白炽灯固有的几大缺点。汽车常常受到的中等程度冲击和震动会缩短灯丝寿命。同样,由灯丝电阻正温度系数引起的瞬间浪涌电流会加速灯泡的毁坏。热循环——刹车灯工作的一个重要特性,往往会缩短白炽灯寿命。


    白炽灯泡的瞬间浪涌电流也使电路保护和故障检测的任务变复杂化。汽车制造商必须把保险丝额定值和故障检测阈值设定到足够大的电流值,才能适应浪涌电流幅值和持续时间,而不会发生保险丝烧断故障或不会检测到假故障。 相比之下,在汽车遭受典型振幅和频率范围内的冲击和震动的情况下,LED结构比灯丝更牢固耐用。LGD结构的重量轻和尺寸小,从而可减少冲击和震动产生的机械力矩。LED尺寸小,还使汽车设计师能够把照明灯设计得体积较小,并将其设计成更符合汽车总体设计的要求。例如,一些汽车不是把CHMSL(中间高位刹车灯)模块安装在后盖板上,而是利用LED所需体积小这一点,把该功能包含在后备箱盖中。


    汽车尾灯照明与控制系统提出了几个有趣的问题,这些问题也会出现在控制器件和被控制器件彼此相距很远的其它系统中。LED本质上是电流器件。电子空穴对在场致发光化合物内复合,并且在复合时发射光子。电流的增大会相应提高复合速度和光通量输出。这一过程的效率不是100%(几乎达不到100%),因此电流的增大还会通过1-h功耗增加器件的自热。除非工作条件恶劣,否则LED一般不会像钨丝灯那样发生灾难性故障,但却往往会因老化而变暗。很多器件设计师把LED的寿命终止定义为光输出降至初始值50%的时间。过流和过热条件会加快LED寿命终止,因此多数器件制造商建议OEM仔细控制LED的能源。


    这些特性暗示,为了达到LED在汽车CHMSL或尾灯组件中的11年预期寿命,汽车车体控制模块应该以恒定电流来操作各个器件。然而,正如AnalogDevices公司汽车市场专家BillReidEL所说,恒流设计使车体控制模块和灯组件之间的布线复杂化,并驱使设计师把功率控制IC从车体控制模块中取出,把它放入灯外壳中。恒压驱动能使控制IC保留在需要控制IC故障检测状态信息的控制模块内,而且能在同一设计中减少外部元件(即保险丝)的数量以及控制模块和灯外壳之间的布线数量。


    AnalogDevices公司的AD8240LED驱动器/监视器是这种方法的具体体现。该器件工作电流是300mA,供电电压范围是9V~27V。PWM输入控制着灯亮度,从而实现符合汽车规定的白天和夜晚不同最低亮度级。过流检测电路由一个外部高压侧分流电阻器和一个片上比较器组成。如果分流电阻器两端的电压降超过参考电压(一般是5V),过流检测电路就锁住输出驱动信号。锁存器在每个PWM周期之后会复位。


    分流电阻器和外部PNP传送元件限制最高负载电流。制造商建议的0.1Ω~0.5Ω分流电阻范围对应于2A~0.4A的最大负载电流。控制模块的微控制器通过一条ADC输入通道来读取IC检测引脚的读值,就能监视负载电流。售价为1.15美元(1000件批量)的AD8240能检测开路负载、短路和局部故障,如一串串联LED中的一个LED短路这种情形。这种驱动器/监视器IC采用MSOP-8封装。


    在需要低压侧控制器的设计中,设计师可以考虑使用Melexis公司的MLX10801,因为MLX10801采用SO-8封装,能在没有外部传送器件的情况下吸收550mA绝对最大峰值电流和400mA绝对最大平均电流。一种带后缀A的封装选件采用带热衬垫的MLPD-8封装,而所用裸芯片不变,从而把RΘJA从120K/W降低至37K/W。这种封装改进可使绝对最大峰值电流和绝对最大平均值电流分别提高至1.2A和750mA。


    一根诊断引脚使本机微控制器能通过一个ADC通道来监视负载电流。那些驱动器/监视器芯片多于ADC通道的设计可以求出接地电流之和,并且借助一根模拟输入引脚来监视总接地电流。


    Melexis公司的MLX10801的特点是一组瞬态脉冲、40V负载转储以及不正常引发的欠压条件,这些都是该器件必须承受的预期非标准工作条件。一个可编程非易失数据锁存器使OEM能通过一个片上检测二极管或外部检测二极管来进行温度测量。一根控制输入引脚可实现PWM调光,这是LED驱动器的一个常见特性。使这一控制输入引脚保持低电平32毫秒以上,就会迫使驱动器进入睡眠模式,从而使其静态电流从2mA减小至105mA。使该控制输入引脚保持高电平8mS,就可启动一个只持续300mS的唤醒序列。


    (助编:xiaohu)

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