基于白色LED质量和效率GaN技术的分析

就在20多年前，Nichia推出了第一款氮化镓（GaN）发光二极管（LED）。此举开始广泛使用具有成本效益的蓝色LED。从那时起，GaN LED的输出功率和光频率都有所增加，这使得可以将这些器件与荧光粉结合使用作为照明源。

手机技术的采用推动了第一波基于GaN的LED，其中紧凑型器件在过去十年中开始取代体积更大，效率更低的荧光灯背光源。随着技术的发展，它已经转向需要更广泛覆盖的应用，从冷接收液晶电视中的阴极荧光背光源。这些大面积设计所需的大量LED在增加产量方面发挥了关键作用，并因此降低了制造成本。

IHS估计，2013年GaN器件占LED行业总收入的85％。基于LED的固态照明正在推动GaN进入其第三波应用领域。半导体制造的最新进展已经开始看到材料的变化，将GaN材料放在硅衬底上。这有助于进一步降低高功率白光LED的成本，并为家庭消费者带来节能的LED照明，以及提高显示器背光应用的效率。

然而，制造LED消费者可接受的照明，不仅必须具有成本效益，而且必须与现有解决方案一样具有吸引力或更好。诸如调光性能和闪烁之类的考虑对于固态照明的感知非常重要。传统的调光电路，例如基于三端双向可控硅开关的调光电路，不适用于LED，但有一些方法可以解决这些问题，这些问题在Digi-Key文章“家居照明控制器提供调光兼容性”中有所描述。

For如果系统不需要使用传统的三端双向可控硅开关电路进行调光，或者针对白光GaN LED的许多其他应用，那么设计人员就有一个关键的决定。基于LED的照明系统的设计者可以选择是使用恒压还是恒流方式供电。通常，恒定电流用于为单个LED供电，并提供控制光输出的有效方式。正向电流将决定LED的光输出。为了提供恒定的光输出，需要根据温度降低电流。同样重要的是不要过度驱动LED，因为这会缩短其寿命。恒流控制有助于确保实现这种情况。

对于照明和标牌应用，电源很少只能控制一个LED。相反，LED将以串联或并联配置布置，以产生所需的光强度和形状。基本LED灯条由一组串联的LED组成，其上方有一个限流电阻。然后将其与恒压稳压器一起使用，尽管限流电阻可能被电流调节器取代，以提高效率并在LED灯条之间获得一致的亮度。

德州仪器TPS61060等设备，专为便携式照明和背光应用，可用于电流或电压调节。为了使器件进入电流调节，反馈引脚用于调节电流检测电阻两端的恒定电压。在这种配置中，相同的电流通过LED流过检测电阻，如图1所示。对于电压模式，检测电阻被移除，相反，反馈引脚连接到分压器，对输出电压进行采样。结果

图1：TI TPS61060的方框图，显示了使用检测电阻（RS）。

TPS61060本身是一种高频同步升压转换器，可提供灵活的电压范围来自典型的电池电源，可能从2.7 V到6 V。转换器可以提供电流，最多可为五个白光LED供电。为了安全起见，该器件具有集成的过压保护和短路保护，允许使用相对较小的外部元件，例如低额定电压的电容。

TPS61060提供两种控制亮度的方法。一种是使用使能引脚来帮助实现脉冲宽度调制（PWM）方案。当施加PWM信号时，当上拉使能时LED电流接通，当拉低时，LED电流接通。因此，改变PWM占空比会改变LED亮度。或者，可以使用ILED输入引脚的信号实现对LED的数字亮度控制。该输入馈送5位DAC，用于设置输出电压电平。为了保持引脚数减少，控制方案使用高逻辑信号和低逻辑信号的时序将输出逐步推高或降低。在关机期间，为了节省电力，输出与输入断开。这可以防止漏电流通过LED。

针对恒流应用进行了优化，飞兆半导体FAN5346可在2.5至5.5 V输入电压范围内驱动多达5个串联LED，输出电压高达20 V对于S30X型号，或者对于S30X版本，输出电压高达30 V的多达8个LED。与TPS61060类似，检测电阻配置用于实现升压转换器的电流调节。

固定1.2 MHz开关频率的选择适合小型应用的设计，允许使用相对较小的无源器件组件。为了支持基于PWM的调光控制，FAN5346响应频率范围为5 kHz至100 kHz的信号发送到其使能引脚。

为了安全操作，FAN5346集成了过压，过流，短路检测和热关断保护。如果电池电压过低，欠压检测器将触发锁定状态。

电路板布局是LED电源的关键考虑因素，特别是在电感和电容支持组件的布局和布线方面。当电源以高频操作时，布局需求增加，以便最小化无源元件尺寸。如果不仔细执行布局，可能会出现噪声问题，这可能会增加闪烁和其他不良行为。

通常，输入电容是开关降压或升压转换器的重要组成部分，因为它有助于确保稳定的输入来源交付给监管机构。当稳压器工作时，它以高频开关，使输入电容上的负载迅速变化。电容器需要能够保持足够的能量，以最大限度地减少稳压器输入引脚的变化。为使电容快速响应，应尽量减少走线电阻，电感和电容。特别是走线电阻是一个潜在的问题，因为它会因I²R损耗而降低整体效率。此外，即使微量电感增加，也会增加输出噪声因此，输入电容应尽可能靠近输入引脚放置，以实现良好的输入电压滤波。同样，电感应尽可能靠近输入引脚放置，以尽量减少噪声耦合。为输出电容提供类似的用途，输出电容应直接放置在输出引脚和地之间，而不是放在LED之间，以减少纹波电流（存在于走线中），使其成为LED。

最后，检测电阻还应具有到调节器的短路径，因为它会将噪声耦合到反馈引脚，如果噪声太高，可能会导致不稳定的操作。一般来说，最好先对输入和输出电容，检测电阻和电感走线进行布线，因为这些走线需要保持尽可能短，如图2所示，以TI TPS61060为例。 》

图2：调节器的布局考虑因素。粗线应首先布线并保持短路。

除消费和计算设备外，照明LED在汽车，船舶和航空航天系统等交通运输应用中也越来越普遍，可靠运行的要求已转化为附加功能。例如主动数字管理。例如，可以使用数字串行总线报告故障状况，以确保驾驶员能够清楚地看到仪表板上的控制。这种LED驱动器的一个例子是Microsemi LX2260。高亮度多通道LED驱动器专为高亮度LED背光与宽调光范围相结合的应用而设计。

LX2260包含允许通过双线串行总线接口报告故障状况的电路。 I²C和SMBus兼容。报告的故障包括LED短路，LED开路和IC过温指示灯，以及有关LED串电压的信息。此外，通过使用外部热敏电阻来检测LED温度，可以补偿LED电流以保持在给定的LED温度曲线内。

LX2260驱动器最多支持四个独立的LED串，可以集成到系统中支持高达40 W.LX2260能够根据瞬时输入和输出电压要求自动调整其工作，以便在升压，降压 - 升压或降压 - 转换器模式下工作。这允许器件自动保持最佳的LED电流调节。该器件非常适用于汽车应用，可提供外部可编程LED电流上升和下降时间，可用于优化系统EMI。支持高达25 kHz的PWM频率以避免可听见的噪声。

LX2260控制的每个串的驱动电流最高可编程为500 mA，典型的通道间匹配精度在±1.5％以内。升压转换器的FET和每个LED电流吸收器都是外部的，以提供灵活性和可扩展性，以适应各种LED配置，并提供系统的最佳热管理。

简化便携式系统，设备的设计例如Skyworks Solutions AAT3104使用单线串行接口从最多四个并联的LED编程所需的亮度，每个LED使用恒流调节进行控制。电荷泵设计针对便携式系统进行了优化，仅使用外部电容器，无需电感器。稳压器工作在1 MHz，以控制噪声并限制可能与RF操作相关的谐波，这对连接的移动设备非常重要为了设定亮度等级，Skyworks设计的S2Cwire接口使用一系列上升沿，最多32个，以半毫秒的暂停间隔。要关闭输出，串行引脚需要保持低电平超过半毫秒。

为了驱动可用极低输入电压的LED，例如单个锂电池，二极管ZXLD381提供85％的功率 - 转换效率和驱动单个白光LED的能力。该设计使用基于脉冲的电路拓扑。当施加电源时，脉冲控制块内的振荡器迫使内部开关晶体管导通以开始能量充电循环。低饱和电压开关将输出引脚拉至接地，从而迫使外部电感上的电源电压。这导致电流积聚，在电感器中存储能量。在此阶段，脉冲控制电路监视并使用开关电流和电源电压，以确定最佳驱动条件和“导通时间”。

图3：框图使用二极管ZXLD38的LED驱动电路。

在能量充电周期结束时，内部开关快速关闭，中断流过电感的电流，导致输出电压急剧上升。当输出电压达到负载LED的正向电压时，电感电流从内部开关传输到LED，开始能量放电循环。当电感两端的电压反转时，流经它的电流和LED会下降。

当电感电流达到零时，输出引脚上的电压会回落到电源电压。该动作由脉冲控制电路检测，该电路启动下一个能量充电循环。除了低电平损耗之外，在充电周期期间存储在电感器中的所有能量将在随后的放电周期中被引导到负载LED。

由于成本下降并且不断提高基于白色LED的质量和效率GaN技术，电源支持设备不断发展并进入新的市场。该技术中可能的方向将包括更容易的亮度编程和输出监控，以确保在产品的整个使用寿命期间保持一致的照明