高品质LED供电电源的设计

　　要将LED电流的精确度控制到与数字负载的供电电压的精度相同，则会既浪费电，又浪费成本。100mA到1A是当前大多数产品的电流范围，特别是目前350mA（或者更确切地说，光电半导体结的电流密度为350mA/mm2）是热管理和照明效率间常采纳的折衷方案。控制LED驱动器的集成电路是硅基的，所以在1.25 V的范围内有一个典型的带隙。要在1.25V处达到1%的容差，亦即需要±12.5mV的电压范围。这并不难实现，能达到这种容差或更好容差范围的低价电压参考电路或电源控制IC种类繁多，价格低廉。当控制输出电压时，可在极低功率下使用高精度电阻来反馈输出电压（如图1a所示）。为控制输出电流，需要对反馈方式做出一些调整，如图1b所示。这是目前控制输出电流的唯一且最简单的手段。

图1a：电压反馈；图1b：电流反馈（点击图片查看高清原图）

　　深入研究之后，就会发现这种做法的一个主要缺点是：负载和反馈电路二者是完全相同的。参考电压被加在与LED串联的一个电阻上，这意味着参考电压或LED电流越高，电阻消耗的功率越大。所以，第一代专用LED驱动集成电路的参考电压要远低于现在的产品，这类似于电池充电器。电压更低意味着功耗更低，也意味着更小、更便宜、更低损耗的电流检测电阻。在图1b所示的简单的低端反馈环境下，200mV是常规的电压选择。但是，要在200mV参考电压下实现±1%的容差，则需要一个价格很高的集成电路，此时相对于标称参考电压的容差为±2mV。尽管这并不是不可能实现的，不过更高的精度需要更高的成本。±2mV的容差需要高精度电压参考所需的生产、测试和分档技术，此时，附加成本应花费在更智能的LED驱动器上。新的费用的价值是增加了一个反馈回路，借助该回路，可以利用光输出（而非电流输出）来控制如何驱动LED。

　　测量光输出

　　就像数字产品设计师在电源设计中遇到不确定问题时会采取仿真解决问题那样，电力电子工程师出身的系统架构师在进行LED灯具设计时会想到高精度的输出。LED制造商已经清楚的表明，光通量与前向电流成正比。利用相同的电流驱动所有LED，那么每个LED会产生相同的光通量。因此，电力电子工程师就会得出结论：高精确度的电流是必须的。这样一来，他们就忘记了光输出的流明和勒克斯值（而不是安培值）才是重点。测量电流是很容易的，而相对的，测量光则需要昂贵的大型设备，如图2所示的积分球，而大部分电子工程师对积分球都不太了解。　

图2：光学积分球截面图

　　另外，即使容差为±0.1%的电流源（其价格会相当高）有巨大的市场价值，它对在实际光输出中产生严格的容差值上没有什么作用。通过观察LED光通量的分档可以确定这一点。表1给出了世界三大顶级电力光电半导体制造商的高端冷白光LED在350mA和25？C条件下的光通量分档结果。注意最后一列是各分档的容差平均值，而不是所有光通量分档范围内的容差。

　　表1 世界三大顶级电力光电半导体制造商的高端冷白光LED在350 mA和25？C下的光通量分档结果。

　　计算光输出精度

　　了解到来自单个通量分档的LED光输出会有±3%到±10%的容差之后，系统工程师可能会因此得出结论：驱动电流容差值必须是越严格越好。然而从统计学角度来看，该观点并不正确。一个常见的但不正确的假设是：任何值的整体容差都等于最坏条件下各值的简单累加。为LED供电的电流源的容差和LED光通量的容差是互不相关的 - 它们在最初阶段就已相互独立。对于不相关的两个因子X和Y，整体容差Z并不是X和Y的容差之和，而是应该利用下述表达式进行计算：

　　表2和图3给出了整体容差和假设电流源容差的对比情况，此时假设LED光输出在350mA的区域内随前向电流呈线性变化。

表2 整体容差和假设电流源容差的对比情况