在本文中，我想谈一谈 LED，例如为什么 LED 灯将成为首选照明源、怎样为 LED 灯供电以及怎样保护 LED 灯免受各自解决方案中有害因素的影响。LED 照明应用包括高顶灯照明、建筑照明、室外路灯照明、以及甚至用来取代 75W 白炽灯。

不过我认为，为慎重起见，在我们开始探讨这些有关 LED 的问题之前，应该先考虑几个基本问题：

1. 究竟为什么使用 LED 灯? LED 照明成本是白炽灯的 13 倍，那么哪些优势使 LED 照明如此富有吸引力?
2. LED 灯需要用什么系统供电? 事情可不是将一个 LED 灯拧到现有白炽灯灯具中那么简单。那么，正确安装 LED 灯并为其供电必须达到哪些要求?
3. 哪些因素对 LED 灯以及 LED 驱动器电路有负面影响?

LED 需要什么?

与白炽灯不同，LED 灯不是“加热器”，白炽灯本质上是个电阻器，LED 本质上则是个二极管。因此，LED 需要相对严格的稳定电流和电压，这一般由 LED 灯驱动器电路提供。不过这种电路容易出现开路或短路情况，因此设计时必须小心，以防止这类情况的发生。另外高温对 LED 灯的可用光输出也有负面影响，因此设计 LED 驱动器电路及电路安装方法时也要小心。

白炽灯可以直接接受 AC 电源电压，与此不同，LED 需要稳定的 DC 电压和电流。因此，视电源不同而不同，可能需要 AC 至 DC 转换。无论何时，只要发生转换，事情就总是有可能出错。在很多情况下，这类故障可能有损于甚至毁掉 LED 驱动器电路，而没有了驱动器电路，LED 本身不可能发光！因此，必须提供能够防止这类故障发生的 LED 驱动器电路。所以， 本身纳入 LED 保护功能的驱动器是非常有用的。本文稍后将提供一些内置保护功能的 LED 驱动器 IC 的例子，用这些驱动器 IC，LED 灯可以获得很长的使用寿命。

LED 及其他解决方案

表 1 显示了对 LED、CFL 及白炽灯的比较结果。表中突显部分有助于您快速识别相应光源特性的好处和优势。

正如表中所示，LED 灯的主要特点之一是高效率。当光输出为每瓦 80 流明时，LED 灯的电源效率至少是白炽灯的 8 倍。或者换一种说法，LED 灯仅用相当于白炽灯 1/8 的电功率，就可提供同样的光输出。这等于在整个使用期内节省了能耗成本。现在看一下表中所列的寿命，可以看到，LED 灯的使用寿命至少是白炽灯的 50 倍。因此，到一定时间，LED 灯较高的初始成本就由其能耗成本的降低抵消了。为说明方便，假定只替换普通家庭中 5 个最常用的照明灯，那么在不到一年时间内，能耗成本降低就可以抵消较高的初始成本。当然，使用 LED 灯还有其他一些好处，例如 LED 灯不含有害材料并且没有故障模式 (如电源设计能够正确地为 LED 灯供电并提供保护) 。

表 1：LED、CFL和白炽灯光源比较

LED 的维护和供电

正如已经提到的那样，LED 在电特性上相当于二极管。因此，LED 是一种电流驱动器件。只要给 LED 提供合适的电流，就可以使 LED 提供规定的光输出。相应地，提供较小的电流会限制 LED 提供的光输出量。对于单个 LED 而言，这也许不是什么大事。但是，如果由很多 LED 串联形成 LED 串，而且这些 LED 的电流大小不一致，那么光输出就会有很大和非常明显的变化。

当然，还必须克服 LED 固有的正向压降，该压降视所用 LED 类型以及灯具系统最终配置的不同而有所分别。对于一个典型的白光 LED 而言，这一正向压降通常为 3.5V 左右，不过当温度升高时，会变得略高一些。因此，视输入电源的不同而不同，可能需要多种转换拓扑。LED 串有各种不同的配置，包括串联 (LED 正向压降相加)、并联 (LED 电流相加) 或串并联组合 (LED 正向压降及其电流都相加)，这使问题进一步复杂化了。

到现在为止，我们已经谈到了 LED 正确工作需要哪些保证，但是哪些事情可能对 LED 及其驱动器电路的工作产生负面影响? 答案是，很多事情都可能对 LED 输出产生负面影响，甚至使 LED 发生灾难性故障。这些事情包括：过压，通常在 LED 开路时发生；过流，通常在短路或重新插入 LED 串时发生。当然，如前面所述，热环境不佳也可能对 LED 的使用寿命造成负面影响，因此良好的整体热设计也是至关重要的。此外，为防遗忘，这里再强调一次，LED 驱动器电路也很重要，因此设计该电路时同样需要小心谨慎，以使该电路能够保护自己、保护 LED，避免受到开路、短路和热环境欠佳的影响。但所有的这些问题，在大多数汽车、航空电子和工业环境中是很常见。

给 LED 供电的关键是正确提供严格调节的电流。正是在这里，LED 驱动器电路发挥了关键作用，因为无论输入电源是什么样的 (输入电源变化范围会很大，因为应用的范围很广)，驱动器电路都必须接受，并将其转换为使 LED 性能最优化所需的电压和电流。因为随时间变化，过压或过流可能对 LED 寿命或其光输出产生负面影响，所以电压和电流的调节越严格，系统就越坚固。因此，提供 ±5% 的电压和电流调节对无故障地实现长的工作寿命而言是很有益处。

另一个关键标准是提供过压保护。因此，先决条件是，LED 驱动器电路能够应对高于正常工作所要求的较高瞬态电压情况。一个很有说服力的例子是汽车环境，这种环境中的负载突降可能达到 42V，或甚至更高。

保护 LED 免受过热影响更加富有挑战性。LED 灯具常常很小、很紧凑，几乎没什么散热途径，而且可能没有风扇增加空气流动，提供冷却。因此大部分热量不得不通过传导来散出。这样一来，在设计阶段必须考虑良好的散热。此外，LED 驱动器电路若能以非常高的转换效率工作也会非常有帮助，因为转换效率越高，以转换功耗形式产生的热量越少。因此，具备 90% 以上效率的 LED 驱动器对于良好的热设计是极有帮助。

另一种有助于减少热量的有趣方式是，在 LED 驱动器电路上采用一个内置温度传感器，这样一来，如果有一个系统微控制器监视这个温度信号，那么就可以在需要时停止整个系统运行，以降低电流，产生较少热量。当然，这么做的代价是降低了光输出，但是这总好于让整个系统发生故障。一旦故障情况消失，就可以恢复正常运行。

当然，老话说得好，适用于此者亦适用于彼。因此，以上探讨针对 LED 的实用方法推广开来，同样也适用于 LED 驱动器电路。而将这些方法纳入整个系统中，是一个非常好的想法。

LED 驱动器解决方案

既然我们已经探讨了给 LED 供电需要达到哪些要求，必须采取哪些措施保护 LED，才能使 LED 保持很长的寿命和不出现故障，那么我想再花一些时间，展示几款 LED 驱动器 IC，这些 IC 整合了很多上述保护机制。

第一个例子是 LT3795，这是一款基于升压型拓扑的 LED 驱动器，该驱动器还提供一些特殊功能以提高性能。第一种特殊功能称为扩展频谱频率调制，这种调制方法可为系统时钟引入高频抖动以降低噪声层。第二种特殊功能是短路保护。与降压型转换器不同，面向升压型转换器的短路保护并不容易实现。对降压型转换器而言，由于其降压型拓扑以及 V_IN 与 V_OUT 之间的开关，所以短路保护功能是固有的。对于一个升压型转换器而言，要提供短路保护，必须在 LED 串上方增加一个断接 FET，如图 2 中的 M2 所示。这种 P 沟道 MOSFET 为监视流经其自身的电流创造了条件，因为如果发生短路，流经 M2 的电流就会迅速升高。这有可能毁坏下游 LED 串中的 LED。为了防止毁坏情况发生，我们必须监视 LED 的电流，电流监视可用 LED 上方的检测电阻 RLED 实现。因此，当发生短路时，为了保护 LED，M2 必须迅速断开。尽管迅速断开并不容易实现，因为必须在不到 1us 的时间内完成，但是 LT3795 做到了，如图 1 所示。

图 1：LT3795 的短路电流示波图

在图 1 中，上部的曲线是流经 LED 串的电流，中部的曲线是流经 P-MOS 的电流。底部的曲线代表轨之间的瞬态短路状态。正如图中所示，LT3795 断开 P-FET，其电流仅在 500ns 时间内即上升至 12A 峰值，从而保护了 LED 串发生过流情况。如果没有这么迅速的响应，该电流可能上升至高达 50A。

图 2：具输入限流及扩展频谱频率调制的 LT3795 升压型 LED 驱动器　

第二个想要展示的 LED 驱动器 IC 是 LT3797。这是一款多拓扑三输出 LED 驱动器，具集成的轨至轨电流检测放大器，电压范围为 0V 至 100V。这 3 个通道每一个的工作模式都可以配置为降压型、升压型或 SEPIC，输出之间都可以自主运行。

这款 IC 增加了几项功能以提供额外的系统保护，显然，保护功能之一是，通道以升压模式工作时的短路保护。然而，该 IC 还纳入了开路 LED 保护，这是由 FBH 电压反馈引脚提供的。LT3797 具 2.5V 至 40V 宽输入范围，非常适合工业、航空电子、医疗及汽车 LED 照明应用。此外，因为该 IC 是一款控制器，所以可提供数安培的电流范围。

图 3 显示了配置为三输出升压型 LED 驱动器的 LT3797，3 个通道的每一个都是升压型控制器。正如图中所示，每个 LED 串上方都放置了 P-MOS MOSFET 和检测电阻器。因此，像 LT3795 一样，当发生短路情况时，该 IC 可以迅速断接 LED 串，防止 LED 串被损坏。

与 LT3795 的另一个类似之处是，LT3797 允许打嗝模式闭锁以重启各个通道。通过增加或去掉 V_REF 与 SS 引脚之间的 R13，可以非常容易地设定短路保护模式的重启。

图 3：配置为 3 输出升压型 LED 驱动器的 LT3797

结论

希望您愉快地度过了这次 “怎样给 LED 灯及其驱动器电路供电并提供保护” 的旅程。正如本文所示，设计一个完整系统时，有很多因素需要考虑，包括电压、电流及热量限制。不过，已有一些 IC 可以减轻设计负担，为满足设计需求提供了方便，同时优化了所有性能参数。