高亮度LED的特性分析与所遇到的难题和解决方案

高亮度LED（HBLED）在汽车、消费电子和工业市场正在快速普及。 色彩绚丽、寿命长、能源效率高，这些是高亮度LED成为照明应用未来发展趋势的部分原因。

        在汽车行业，HBLED技术使车辆在造型、安全、燃油的经济性方面与众不同，从简单的开关照明、LCD背光到亮度极高的头灯应用都包括在内。但是，高效、可靠地控制HBLED的亮度，不是一件容易的事情；功率级效率，热设计和EMC是涉及HBLED的应用中最关键的设计难题。 通常情况下，使用专用恒定电流驱动器（CCD）来驱动HBLED串来解决大部分重要设计问题，并简化设计。不过，CCD通常比基于微控制器的解决方案更贵。本文介绍使用8位微控制器（MCU）和低成本的分离解决方案来实施智能HBLED照明控制，从而避免使用高昂的模拟驱动或CCD。

高亮度LED的重要特征

        正如在低强度LED中的情况一样，高亮度LED的发光强度与通过的电流程成正比。该电流通常被称作正向电流（IF），在HBLED中的范围是100mA~1000mA。 同时，每当HBLED进行极化时，都会出现压降，称为正向电压（VF）。在HBLED中，光度和色度与IF成正比，因此对通过HBLED的电流进行精确控制显得至关重要。

        具有相同部件号和技术规范的HBLED，不一定拥有完全相同的VF值。当通过两个HBLED的电流IF相同时，它们的后向电压VF可能不同。 因此，通过恒定电压的方式控制LED强度，可能会导致HBLED和HBLED之间的密度不同，并且要确保所有HBLED具有相同亮度，则必须提供一个电流控制。

        不仅发光强度与通过HBLED的电流有关，色度也与HBLED电流有关。 为了保持HBLED颜色，HBLED必须采用恒定电流进行驱动。本解决方案将使用PWM（脉宽调制），从而在HBLED（光照强度）中提供一个更低的平均电流，而同时还能保持相同的瞬时电流（LED颜色）。

        随着HBLED电流增加，功耗也将增加。电流为350mA。压降为3V的HBLED大约会消耗1瓦的电，如果不进行正确的热管理，这种耗散可能会导致HBLED过热和长期性能下降。热设计的另一个重要方面是，HBLED发光强度与LED结温成反比，随着温度增加，发射器的颜色会进入更高的波长。

驱动高亮度LED所面临的难题

        在低强度LED中，使用电阻来限制IF电流非常普遍。 在HBLED中，电阻的额定功率必须更高，这会导致系统效率低下。 因此，在HBLED系统中，开关模式电源（SMPS）被用来提高效率和降低功耗。由于SMPS需要能源存储组件（电感器和电容器），因此价格通常更贵；同时，SMPS还可能造成噪音或EMI问题。

        一组HBLED可以同时通过并联或串联方式驱动，并联驱动使每个HBLED有不同的光照强度，但如果需要一个控制回路，每个HBLED会要求一个专用控制，因此对于大量HBLED来说费用过高。

        以并联方式连接HBLED时，每个灯串只需要一个驱动和控制回路，穿过串联中所有HBLED的电流都相同，从而为它们提供相对恒定的亮度。 根据串联的LED数量，线路穿要求的电压可能低于或高于输入电压。

采用基于微控制器的解决方案

        市场上有大量用来驱动HBLED恒定电流的解决方案，其中一部分基于专用智能模拟驱动，另一部分使用数字信号处理器（DSP）或带独立模拟驱动的微控制器。

        人们普遍认为，基于MCU的解决方案不是执行HBLED恒流控制的最好方法，特别是系统采用分离元件构建的开关式电源时会变得不够稳定，并且不可能通过EMC认证。 飞思卡尔半导体公司现已创建了一款用于双灯串HBLED照明控制的设计样例。该HBLED基于S08MP16八位微控制器，MCU负责测量来自LED灯串的电流馈电，使用PID控制算法进行处理，从而控制独立的降压升压开关式电源的操作，通过HBLED灯串确保最佳电流流量。

        该微控制器还负责监控用户输入、电池电压和温度传感器，诊断实时的LED电源供应状态，一些特别的通信功能，如LIN功能也可以在同一个微控制器中实施。