LED驅(qū)動(dòng)器使 LED 變得更智能：工業(yè)煙囪燈

與白熾燈、 緊湊型熒光燈 CFL 或鹵素?zé)粝啾?，發(fā)光二極管 (LED) 具有許多優(yōu)勢(shì)。回顧一下，這些優(yōu)勢(shì)包括更高的流明/瓦特、更長(zhǎng)的使用壽命、對(duì)振動(dòng)不敏感、即時(shí)開(kāi)啟、可調(diào)光、良好的顯色性和非常靈活的整體燈形狀。

就能效（總輸出流明與輸入功率比，lm/W）而言，不同的通用照明光源中，白熾燈的能效相對(duì)較低，標(biāo)準(zhǔn)60 W白熾燈能效范圍介于10至13lm/W之間（總輸出為600至800 lm），而CFL的典型能效達(dá)55至60 lm/W（由于光損耗，55lm/W的CFL燈具的凈能效僅在28至50 lm/W之間）。其它的光源，如金屬鹵素HID燈能效約在80lm/W，但在燈光投射路徑上會(huì)有大量的損耗。相比較而言，LED擁有著越來(lái)越高的能效，業(yè)界近期宣稱(chēng)的最強(qiáng)的白光LED研發(fā)能力達(dá)到了132至136lm/W，色溫達(dá)（4，500-6，000K）。實(shí)際上，LED的低壓、小體積、定向光、固態(tài)器件、長(zhǎng)工作壽命等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于通用照明特別具有吸引力。LED通用照明系統(tǒng)面臨的要求及挑戰(zhàn)對(duì)于LED在通用照明中的應(yīng)用，需要從系統(tǒng)的角度來(lái)分析其要求。

總的來(lái)看，LED通用照明系統(tǒng)涉及到LED光源（緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率）、電源轉(zhuǎn)換（將交流墻式插座、電池、太陽(yáng)能電池的電源高效地轉(zhuǎn)換至安全的低壓直流電源）、控制和驅(qū)動(dòng)（采用電子電路對(duì)LED進(jìn)行穩(wěn)壓和控制）、熱管理（結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，需要分析散熱，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作壽命）及光學(xué)器件等。要開(kāi)發(fā)高能效的LED通用照明解決方案，這幾方面的'要求都非常重要。其中，本文主要討論LED的控制和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也會(huì)在下文的太陽(yáng)能供電街燈照明示例中結(jié)合討論高效的電源轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言，它面臨的主要挑戰(zhàn)就在于LED的非線性。體現(xiàn)在LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度而變化，不同LED器件的正向電壓會(huì)有差異，LED“色點(diǎn)”會(huì)隨著電流和溫度而漂移，而且LED必須在規(guī)范要求的范圍內(nèi)工作從而實(shí)現(xiàn)可靠工作。而LED驅(qū)動(dòng)器的主要作用，就是在工作條件范圍內(nèi)限制電流，而無(wú)論輸入條件和正向電壓如何變化。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路而言，除了進(jìn)行恒流穩(wěn)流，還面臨著其它一些關(guān)鍵要求。例如，如果需要LED調(diào)光，通常采用的是脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光技術(shù)；而用于LED調(diào)光的典型PWM頻率是1至3kHz.此外，LED驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng)固，可以承受多種故障條件，并且要易于實(shí)現(xiàn)。

通用照明電源轉(zhuǎn)換及LED驅(qū)動(dòng)示例根據(jù)具體應(yīng)用的不同，LED可能會(huì)采用不同的電源來(lái)供電，如交流線路、太陽(yáng)能板、12V汽車(chē)電池、直流電源或低壓交流系統(tǒng)，甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。采用寬輸入范圍的直流-直流（DC-DC）電源為L(zhǎng)ED供電許多高亮度LED應(yīng)用工作在高至40 VDC范圍的電源，如活動(dòng)式照明、景觀和照明、汽車(chē)和交通照明、太陽(yáng)能供電照明，以及陳列柜照明等。以太陽(yáng)能電池板供電為例，提高太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換能效（目前僅為約30%）非常重要。太陽(yáng)能電池板的電壓-電流（V-I）特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性，要從中析取最大量的電能非常困難。這需要太陽(yáng)能LED街燈的充電控制器及其它相關(guān)電子電路（一般采用微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)）盡可能地提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。

工廠中傳統(tǒng)的煙囪燈、塔燈或指示燈過(guò)去每種顏色都有一個(gè)單獨(dú)的燈（圖 1）。這些燈可以很容易地更換為帶有彩色外殼的白色 LED 或帶有白色外殼的紅色、琥珀色或綠色 LED。

圖 1：工業(yè)煙囪燈

表 1 列出了工業(yè)信號(hào)燈的標(biāo)準(zhǔn)化顏色編碼，以指示制造設(shè)備或過(guò)程的狀態(tài)。

表1 ：國(guó)際上使用的 IEC 60073 顏色

在TI設(shè)計(jì)RGB LED信號(hào)塔工業(yè)自動(dòng)化參考設(shè)計(jì)（TIDA-00979） ，我們可以表明一個(gè)聰明和非常靈活的方式你的工藝和制造設(shè)備。除了表 1 中顯示的標(biāo)準(zhǔn)化顏色編碼外，我們還可以隨時(shí)定義任何其他顏色。此外，亮度控制、閃光燈或水平指示器很容易實(shí)現(xiàn)。

除了針對(duì)不同燈的通用開(kāi)關(guān)控制之外，參考設(shè)計(jì)的控制方案還支持整個(gè)智能工廠的接口，例如 IO-Link 標(biāo)準(zhǔn)和無(wú)線控制。

該參考設(shè)計(jì)使用兩種不同的印刷電路板 PCB：電源和控制 PCB（圖 2）和 LED 控制 PCB（圖 3）。LMZ35003 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊的標(biāo)稱(chēng)輸入電壓為 24V，為 LED 控制板上的三個(gè)串聯(lián) LED 生成（高效）所需的 12V。MSP430? 控制器通過(guò) SPI 設(shè)置 TLC5971 LED 驅(qū)動(dòng)器的不同模式。這款 12 通道 LED 控制器可以獨(dú)立設(shè)置 LED 電流（最大 60mA/通道）和亮度。

圖 2：電源和控制板

圖 3：LED 驅(qū)動(dòng)器和紅色/綠色/藍(lán)色 LED

可以控制 1 到 5 個(gè) LED 板，甚至可以使用更高功率的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制更多段。通過(guò)這種靈活的方法，我們可以實(shí)現(xiàn)許多不同的樣式和顏色（圖 4）。

圖 4：有機(jī)玻璃后面的五個(gè) LED 段顯示主要顏色