超低電壓大功率LED驅動器電路合理化設計

大功率LED（以下簡稱HBLED）經過近十年的發展，已逐漸被人們認知和應用。由于HBLED本身所具有的一些特性，使得這種新器件在照明燈具設計上與傳統燈具有著根本區別，表現在需要恒流驅動方式，單向導電與非線性特性阻抗，低壓大電流工作，發光體本身耐熱能力弱等方面。
因為供電方式不同，在驅動電路設計上把HBLED燈具分為市電照明與低壓照明燈具。本文就是以TDU0201E為例針對低壓HBLED燈具中超低壓驅動器設計的合理化做一些闡述。

所謂超低壓HBLED驅動器（以下簡稱ULD），是指采用等于或低于HBLED域值電壓的直流電源工作，通過DC-DC電路轉換，輸出大功率恒流源驅動HBLED發光的專用驅動電源模塊。

眾所周知，用于照明的白光HBLED的正向壓降VF通常在3.0-4.2V之間，具體到每一只HBLED,VF各不相同，同時HBLED又具有二極管共有的單向導電與非線性阻抗特性。因此驅動HBLED不能使用傳統的穩壓電源，只能通過可控精密恒流源來驅動，否則穩壓電源微小的電壓升高也會導致流經HBLED上電流數倍到數十倍電流增加，輕則減少其光衰壽命，嚴重時會瞬間燒毀HBLED。

目前HBLED照明行業還沒有具體的標準出臺，筆者在本公司HBLED燈具照明標準中定義：超低壓標稱范圍是1.0-3.3VDC，此范圍是依據目前通用電池品種的特性定義的，在ULD設計時工作電壓要符合這個范圍要求。

以上是對超低壓HBLED燈具的粗略認識，下面我們就較為全面的認識一下ULD的電路合理化設計，除二次鉛酸與一次鋰電池外，表中其它電池在應用中，單節與雙節電池可以使用同一ULD驅動HBLED，電壓越低，電路設計的難度越大，因此，如果沒有做特別說明，以下論述更多偏重于單節電池的ULD應用設計。

一、ULD的設計必要性

太陽能燈具中，電能的來源是光伏電池板將太陽光能轉化而來，目前世界上最好的光伏電池板光電轉化率也不過20％左右，因此，這些轉化來的電能非常保貴，要想實現高效存儲，最好的辦法就是降低二次儲能電池電壓，減少光伏電池板串聯損耗，增加電池板并聯模式，以大電流超低電壓方式為二次電池儲能。目前行業中能應用到的綜合指標比較優秀的二次電池首選是鎳氫電池。

要實現礦燈和電筒等便攜燈具的小型化和高效能，首先考慮的就是減少電池數量，提高光效轉化率。以上兩點表明，ULD在HBLED燈具上的應用是這些領域向環保、節能、高效發展的最佳解決方案之一。

二、1.0-3.3V電源電壓工作范圍的要求

這個指標是指ULD恒流輸出能維持HBLED輸出光通量在0.25Lf（Lf表示標稱驅動電流時的HBLED輸出光通量）以上的電路驅動能力，從圖1中可以看出，對于一個HBLED燈具來講，單節電池輸出電壓降到1.0V時，通過HBLED驅動器輸出恒流值應不小于0.2Icc（Icc是標稱恒流值），這樣的供電電壓范圍要求就會使得表1中的各種常用電池都得以在HBLED燈具上正常使用。（筆者在本公司HBLED燈具照明標準中定義：正常的HBLED燈具輸出光通量在0.25–1.00Lf之間屬于正常照明，0.2Lm-0.25Lf之間是續航照明）

三、輸出恒流源精度要求

在不損壞HBLED的情況下，能使HBLED發出最大的光通量是燈具行業共同努力的目標，我們以LUMILEDS公司開發的1WHBLED為例，在Icc=350mA時達到1.0Lf光通，如果電流過大，1WHBLED將不能保證應有的光衰壽命甚至損壞。而人為減小電流，又達不到HBLED應有的亮度。

HBLED單向導電和非線性決定了HBLED只能用恒流源來驅動，隨著電池容量的變化，電池的輸出電壓也會隨之改變，在理想情況下ULD要維持HBLED輸出光通量不隨供電電壓的變化而變化。

為保證使用HBLED燈具的用戶眼睛健康不受到損害，HBLED不能有閃爍和過快的明暗變化。要解決以上問題，就要求設計者設計的ULD必須具備良好的恒流輸出能力，如圖3所示，TDU0201E在1.1-3.3V供電電壓范圍內ULD輸出電流變化率不超出5％（使用GPS-1850D穩壓電源調節供電電壓）。

四、在1.0V輸入電壓時具備起動大電流工作的能力

在一次性電池的使用中，我們發現殘留電量依然可以支持HBLED照明較長的時間，優秀的ULD要具備超低壓起動能力，才得以將一次電池殘留電量充分發揮出來，用于照明，此功能在廣大農村與應急場合非常實用。因此，筆者對ULD定義的最低起動電壓出貨標準為1.0V，應該注意的是，1.0V起動時只能采用軟起動電流爬升方式，否則，在瞬間大電流起動狀態下，電池內阻會占用大部分電壓而使得ULD無法起動。

五、超強的續航能力

這一指標主要是考驗ULD的超低電壓工作能力，通常一次性電池的終點電壓測試會在0.9V停止，而對于HBLED燈具來講，此時一次電池剩余電量依然能支持HBLED續航照明。依照前文所講的續航照明標準，以60Lm的LUMILEDS1WHBLED為例，當續航照明光通輸出為0.2Lm時，驅動HBLED的電流僅為幾個mA左右（在低于100mA的恒流驅動HBLED時，HBLED發光會進入一些不穩定狀態，此時建議電源設計者采用脈沖方式驅動HBLED）,通常在這種條件下ULD輸入電壓不足0.6V,因此對ULD來講，續航能力實際反映的是ULD最低工作電壓。TDU0201E在低于0.6V時還能輸出14mA的電流，因此在實測當中，使用單節DURACELLMX1500AA電池供電，驅動LUMILEDSSX0HW-LXHL-MW1D1WHBLED,正常照明時間約1.5小時，續航照明時間可達到正常照明時間的10倍左右。

六、雙駝峰效率曲線

除二次鋰電和二次鉛酸電池外，常用電池中無論一次電池還是二次電池，單節的放電終止測試電壓均在0.9V左右，因此當電路工作到1.0V以下時，電池會出現一些難以預料的電力問題，為了能延長續航照明時間，此時必須要采取措施，盡可能減少電池的電力消耗，其中之一就是提高電路工作的轉化效率。以筆者設計的TDU0201E1WULD為例，如圖2，當輸入電壓低于1.0V并繼續下降時，ULD轉化效率不能繼續下降，圖中顯示，在1.0V左右出現雙駝峰效率的曲線特性。要使得這一反彈的效率曲線得以實現，只能通過減少輸出功率的方式，來減少電池內阻帶來的功率損耗。
理想中的轉化效率越高越好，但這與驅動器成本、體積等因素都有密切關系，技術不斷進步，用不了多久，更好的低壓器件問世會讓我們的特性曲線越來越接近理想值。

七、1.0V電流反斜率曲線

一次碳鋅、一次堿性、還有鎳氫與鎳鎘二次電池的大電流放電終止電壓均為0.9V,這就意味著這些電池在電壓降至1.0V以下時，所剩電量已不多，對于鎳氫與鎳鎘二次電池更為緊要，過放電會損壞二次電池的充電性能。

因此筆者在電路設計上采用了1.0V電流反斜率曲線這一設計理念，在電池電壓降至1.0V以下時，輸出電流會發生銳減，當電池電壓降至0.8V以下時，ULD輸出電流應盡可能減至0.2Icc以下，以保證電池的續航能量，同時HBLED輸出光通量也會降至0.25Lf以下，讓使用者能明確感受到亮度變暗，對于二次電池的用戶可以直觀感受到單節電池電力不足，需要盡快充電，這是很重要的一點，因為對于二次電池供電的HBLED燈具來說，電池低電量直接關機的設計方式，會使部分用戶在黑暗中處于危險境地。

八、實際的電池應用特性實例

以上論述都是基于理論設計并用直流穩壓電源進行測試的結果，在實際應用當中，將單節電池放入用TDU0201E作驅動的ULDHBLED燈具中又會是什么情形呢。筆者使用了三種常用電池進行測試，三種電池分別是DURACELLMX1500AA堿性電池，GPLR6AA堿性電池和2000mAh鎳氫二次電池。測試裝置是一只單節AA電池1WHBLED手電筒，測試距離為1.0米,測試時間為100分鐘。由于不同的電池內阻有很大差異，因而測試的照度曲線也會有較大差異。鎳氫電池內阻相對較小，其特性曲線會更接近理想值。如圖4、圖5和圖6。

成品燈具中，影響HBLED照明效果的因素還有很多，例如透鏡的透光率、散熱系統的熱阻、開關接觸阻抗等，關于這些內容的論述可以參考其它文獻。技術在不斷的更新和發展，我們力求能將HBLED的高效、節能、環保等諸多優點通過技術轉化為生產力，為社會創造更多的經濟效益。