超低电压大功率LED驱动器电路合理化设计

大功率LED（以下简称HBLED）经过近十年的发展，已逐渐被人们认知和应用。由于HBLED本身所具有的一些特性，使得这种新器件在照明灯具设计上与传统灯具有着根本区别，表现在需要恒流驱动方式，单向导电与非线性特性阻抗，低压大电流工作，发光体本身耐热能力弱等方面。
因为供电方式不同，在驱动电路设计上把HBLED灯具分为市电照明与低压照明灯具。本文就是以TDU0201E为例针对低压HBLED灯具中超低压驱动器设计的合理化做一些阐述。

所谓超低压HBLED驱动器（以下简称ULD），是指采用等于或低于HBLED域值电压的直流电源工作，通过DC-DC电路转换，输出大功率恒流源驱动HBLED发光的专用驱动电源模块。

众所周知，用于照明的白光HBLED的正向压降VF通常在3.0-4.2V之间，具体到每一只HBLED,VF各不相同，同时HBLED又具有二极管共有的单向导电与非线性阻抗特性。因此驱动HBLED不能使用传统的稳压电源，只能通过可控精密恒流源来驱动，否则稳压电源微小的电压升高也会导致流经HBLED上电流数倍到数十倍电流增加，轻则减少其光衰寿命，严重时会瞬间烧毁HBLED。

目前HBLED照明行业还没有具体的标准出台，笔者在本公司HBLED灯具照明标准中定义：超低压标称范围是1.0-3.3VDC，此范围是依据目前通用电池品种的特性定义的，在ULD设计时工作电压要符合这个范围要求。

以上是对超低压HBLED灯具的粗略认识，下面我们就较为全面的认识一下ULD的电路合理化设计，除二次铅酸与一次锂电池外，表中其它电池在应用中，单节与双节电池可以使用同一ULD驱动HBLED，电压越低，电路设计的难度越大，因此，如果没有做特别说明，以下论述更多偏重于单节电池的ULD应用设计。

一、ULD的设计必要性

太阳能灯具中，电能的来源是光伏电池板将太阳光能转化而来，目前世界上最好的光伏电池板光电转化率也不过20％左右，因此，这些转化来的电能非常保贵，要想实现高效存储，最好的办法就是降低二次储能电池电压，减少光伏电池板串联损耗，增加电池板并联模式，以大电流超低电压方式为二次电池储能。目前行业中能应用到的综合指标比较优秀的二次电池首选是镍氢电池。

要实现矿灯和电筒等便携灯具的小型化和高效能，首先考虑的就是减少电池数量，提高光效转化率。以上两点表明，ULD在HBLED灯具上的应用是这些领域向环保、节能、高效发展的最佳解决方案之一。

二、1.0-3.3V电源电压工作范围的要求

这个指标是指ULD恒流输出能维持HBLED输出光通量在0.25Lf（Lf表示标称驱动电流时的HBLED输出光通量）以上的电路驱动能力，从图1中可以看出，对于一个HBLED灯具来讲，单节电池输出电压降到1.0V时，通过HBLED驱动器输出恒流值应不小于0.2Icc（Icc是标称恒流值），这样的供电电压范围要求就会使得表1中的各种常用电池都得以在HBLED灯具上正常使用。（笔者在本公司HBLED灯具照明标准中定义：正常的HBLED灯具输出光通量在0.25–1.00Lf之间属于正常照明，0.2Lm-0.25Lf之间是续航照明）

三、输出恒流源精度要求

在不损坏HBLED的情况下，能使HBLED发出最大的光通量是灯具行业共同努力的目标，我们以LUMILEDS公司开发的1WHBLED为例，在Icc=350mA时达到1.0Lf光通，如果电流过大，1WHBLED将不能保证应有的光衰寿命甚至损坏。而人为减小电流，又达不到HBLED应有的亮度。

HBLED单向导电和非线性决定了HBLED只能用恒流源来驱动，随着电池容量的变化，电池的输出电压也会随之改变，在理想情况下ULD要维持HBLED输出光通量不随供电电压的变化而变化。

为保证使用HBLED灯具的用户眼睛健康不受到损害，HBLED不能有闪烁和过快的明暗变化。要解决以上问题，就要求设计者设计的ULD必须具备良好的恒流输出能力，如图3所示，TDU0201E在1.1-3.3V供电电压范围内ULD输出电流变化率不超出5％（使用GPS-1850D稳压电源调节供电电压）。

四、在1.0V输入电压时具备起动大电流工作的能力

在一次性电池的使用中，我们发现残留电量依然可以支持HBLED照明较长的时间，优秀的ULD要具备超低压起动能力，才得以将一次电池残留电量充分发挥出来，用于照明，此功能在广大农村与应急场合非常实用。因此，笔者对ULD定义的最低起动电压出货标准为1.0V，应该注意的是，1.0V起动时只能采用软起动电流爬升方式，否则，在瞬间大电流起动状态下，电池内阻会占用大部分电压而使得ULD无法起动。

五、超强的续航能力

这一指标主要是考验ULD的超低电压工作能力，通常一次性电池的终点电压测试会在0.9V停止，而对于HBLED灯具来讲，此时一次电池剩余电量依然能支持HBLED续航照明。依照前文所讲的续航照明标准，以60Lm的LUMILEDS1WHBLED为例，当续航照明光通输出为0.2Lm时，驱动HBLED的电流仅为几个mA左右（在低于100mA的恒流驱动HBLED时，HBLED发光会进入一些不稳定状态，此时建议电源设计者采用脉冲方式驱动HBLED）,通常在这种条件下ULD输入电压不足0.6V,因此对ULD来讲，续航能力实际反映的是ULD最低工作电压。TDU0201E在低于0.6V时还能输出14mA的电流，因此在实测当中，使用单节DURACELLMX1500AA电池供电，驱动LUMILEDSSX0HW-LXHL-MW1D1WHBLED,正常照明时间约1.5小时，续航照明时间可达到正常照明时间的10倍左右。

六、双驼峰效率曲线

除二次锂电和二次铅酸电池外，常用电池中无论一次电池还是二次电池，单节的放电终止测试电压均在0.9V左右，因此当电路工作到1.0V以下时，电池会出现一些难以预料的电力问题，为了能延长续航照明时间，此时必须要采取措施，尽可能减少电池的电力消耗，其中之一就是提高电路工作的转化效率。以笔者设计的TDU0201E1WULD为例，如图2，当输入电压低于1.0V并继续下降时，ULD转化效率不能继续下降，图中显示，在1.0V左右出现双驼峰效率的曲线特性。要使得这一反弹的效率曲线得以实现，只能通过减少输出功率的方式，来减少电池内阻带来的功率损耗。
理想中的转化效率越高越好，但这与驱动器成本、体积等因素都有密切关系，技术不断进步，用不了多久，更好的低压器件问世会让我们的特性曲线越来越接近理想值。

七、1.0V电流反斜率曲线

一次碳锌、一次碱性、还有镍氢与镍镉二次电池的大电流放电终止电压均为0.9V,这就意味着这些电池在电压降至1.0V以下时，所剩电量已不多，对于镍氢与镍镉二次电池更为紧要，过放电会损坏二次电池的充电性能。

因此笔者在电路设计上采用了1.0V电流反斜率曲线这一设计理念，在电池电压降至1.0V以下时，输出电流会发生锐减，当电池电压降至0.8V以下时，ULD输出电流应尽可能减至0.2Icc以下，以保证电池的续航能量，同时HBLED输出光通量也会降至0.25Lf以下，让使用者能明确感受到亮度变暗，对于二次电池的用户可以直观感受到单节电池电力不足，需要尽快充电，这是很重要的一点，因为对于二次电池供电的HBLED灯具来说，电池低电量直接关机的设计方式，会使部分用户在黑暗中处于危险境地。

八、实际的电池应用特性实例

以上论述都是基于理论设计并用直流稳压电源进行测试的结果，在实际应用当中，将单节电池放入用TDU0201E作驱动的ULDHBLED灯具中又会是什么情形呢。笔者使用了三种常用电池进行测试，三种电池分别是DURACELLMX1500AA碱性电池，GPLR6AA碱性电池和2000mAh镍氢二次电池。测试装置是一只单节AA电池1WHBLED手电筒，测试距离为1.0米,测试时间为100分钟。由于不同的电池内阻有很大差异，因而测试的照度曲线也会有较大差异。镍氢电池内阻相对较小，其特性曲线会更接近理想值。如图4、图5和图6。

成品灯具中，影响HBLED照明效果的因素还有很多，例如透镜的透光率、散热系统的热阻、开关接触阻抗等，关于这些内容的论述可以参考其它文献。技术在不断的更新和发展，我们力求能将HBLED的高效、节能、环保等诸多优点通过技术转化为生产力，为社会创造更多的经济效益。