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大功率LED的一些基本资料
我有一部山地自行车，一直想装一个LED车头灯。有在市场了解一些成品的资料，发现要么太贵，要么性能很差。 大约2006年4月份，我萌生了自己DIY一个的想法。 中间的过程很曲折，所以我决定把这个过程写成一个连载，以方便阅读。这是连载的第一篇，主要介绍大功率LED的一些基本资料。 LED目前相对其他光源的优势主要体现在体积，光效和寿命上，LED和其他光源的对比请参考这一篇文章《白光LED和其他光源的比较》 白光LED的发光原理很特别，是采用蓝光核心，外加荧光粉，荧光粉依靠核心的激发产生复色光，和蓝光混合之后，视觉上感觉是白色的。根据荧光粉的构成比例不同，白光LED也有不同色温的产品。 大功率LED目前比较普遍的产品有两种，一种是单核心（发光体），一种是多核心。 单核心产品在体积和重量等方面占有很大优势，而且接近点光源，可以获得良好的聚光效果，也能产生均匀的漫射，因此用途最广。主要的用途是LED手电，头灯，小型便携式照明设备，小型闪光灯等。 缺点也很明显，因为空间有限，单体功率不容易做大，功率提升到一定程度后，需要的散热设备占据了LED的大部分封装空间。 多核心产品是采用多个单核心的发光体，按照一定的规律排成发光体阵列，然后用串连和并联的方式连接起来，封装在同一个散热基板上。 多核心的优点是很容易制作超过10W的产品，缺点是发光体面积大，不容易实现聚焦。而且随着功率增长，驱动需求也大幅度提高，相当多的多核心产品都要求10V甚至接近20V的驱动电压和1A左右的驱动电流。
这里我们只讨论单核心的产品，以Lumileds的产品系列为例：（公司的网址是www.luxeonstar.com，这个公司的产品遍及全球，其他公司也有一些与其兼容的产品）
Lumileds的白光LED主要有1W,3W,5W和K2系列。1W,3W和5W产品都有额定的驱动电压和电流，而K2则允许相当宽的驱动范围，最大电流高达1.5A。 LED的个体差异比较大，一般我们认为，LED的正向压降在3.0V到4.0V之间，额定状态下，1W的驱动电流是350mA，3W是700mA-1A，而5W是700mA，依靠接近7V的正向压降提升功率。 包括台湾在内的一些地方厂家，使用Lumileds的核心，自己做封装，生产了和Lumileds系列完全兼容的产品，价格上便宜一些，性能上相差也不大，只是批量产品的个体差异相对比较大。 LED的色温和光效都不是恒定值，随着驱动电流的升高，色温会逐渐向暖色变化，而光效在电流达到一定数值之后，会随着驱动电流的继续增加而持续降低。 光效开始降低的那个驱动电流，实际上比额定电流小非常多，这个时候LED拥有最高的光效。但是为什么不把这个电流作为LED的额定驱动电流呢？很多人会有这个疑问。原因很简单，大功率LED的存在，是以其能在有限空间内发挥更大的功率而设计的，并不是单纯追求高光效。 最终LED能够造成的实际照明效果，更多的是由外部的光学配件决定，大功率LED把核心压缩在一个接近点光源的状态，极大提高了对外部光学设备的利用率，从而有效的提升了最终的照明效果（从这个角度讲，多核心LED是对这个优点的抹杀）。
LED的失效形式，除了物理破坏，反向击穿等之外，主要是热损坏，这使得对LED的保护主要集中在散热上。而且，如果散热良好，大功率 LED即使工作在超过其额定功率的状态，也不会有很明显的损坏，这和PC上对CPU超频使用非常相似，因此LED的用户也把这种超功率使用叫做“超频”。
由于热损坏是一种需要时间累积的破坏，因此LED短时间内工作在远高于额定的状态，一般也不会造成永久性的损坏。这个特性使得LED可以用平均电流符合其额定值，但是瞬间电流高于其额定值的脉冲电流驱动。 举个例子：比如3W LED的额定驱动电流为700mA，那么我可以使用一个1.4A，占空比为50%的方波驱动。这个时候LED的平均功率仍然接近其额定值。但是由于LED在1.4A下的光效远低于700mA，所以尽管功率接近，但是实际亮度却会降低。 对于大功率LED的亮度调节，一般都是采用电流调节，但是官方推荐的方式却是用PWM调节。这是为什么呢？其实原因也很简单。 由于LED的电流/光通量曲线并非线性，单纯调节电流并不能得到线性的光照效果，而PWM方式则可以更好的得到线性的结果。同时LED的色温随驱动电流变化，降低电流之后有可能会使得色温偏离需求，而PWM方式只要开启状态的电流能够达到色温的要求，则最终色温也一定满足要求。 以上是大功率白光LED的一些资料，可能会和其他无论是官方还是权威的有所不同，不过这些都是实际使用和测试的结果，相信更加具有参考的价值。
现有的大功率白光LED成品驱动电路 目前市面上能找到的白光LED成品驱动电路有很多种，包括使用AC和DC的。 我最终希望使用电池作为电源，所以只研究了DC驱动电路。 这类电路包括两种类型，升压型和降压型。 在国内，升压型电路用的最多，因为升压意味着可以使用1AA或者2AA这类低于3V的电源，来驱动白光LED，用在手电筒上面，可以显著减少因为电池而占据的体积。能够做出小巧精致的产品来。 这类电路有很多，大多都是用分立元件打造的DC/DC升压电路，本身并不带有恒流功能，当电源电压超过其额定值，有可能导致LED烧毁或者器件本身损坏。 由于我希望得到比较长的续航时间，所以不考虑用1AA一类的小容量电源，希望至少4AA，或者锂电池，锂电池组，甚至小型蓄电池。所以对于这类电路没有仔细研究，不过有一款驱动IC,BL8505，因为用的很多，所以特别介绍一下。 BL8505是3.3V~5V DC-DC升压驱动芯片，是上海贝岭的产品，功能和MAXIM等国外厂商的某些产品相似，属于boost电路，效率高体积小，应用范围很广。 因为价格相对便宜，而且输出能力还不错，所以成为手电爱好者比较青睐的电路，有很多成品电路板在各种网站上面销售。 虽然是一款电压控制型的芯片，不过用在LED驱动上面，效果似乎还不错:P 降压电路，有一款应用非常广的降压恒流电路，AMC7135，这是一款针对大功率LED驱动定制的专用电路，输出额定350mA，适合1W LED的直接驱动。典型电路如图
 这个电路其实是一款典型的恒流源电路（关于恒流源电路，请参考的我另一篇文章《细说恒流源》），线性降压恒流，优点是结构简单工作稳定，价格也还算便宜，缺点是当驱动电压较高的时候，自身功耗较大，白白浪费了电能不说，还大量发热。而且对于不同于 350mA额定电流的LED，缺乏调节方式。有些网友利用两片7135并联驱动3W LED，结果得到的驱动电流从600mA到700mA不等，表明这个芯片的绝对精度还不是很理想。 我希望寻找的是一款DC-DC降压电路，并且最好有恒流功能。由于使用高于LED额定电压的电源，如果电路发生故障，极易烧毁LED，所以电路的稳定性和可靠性都很重要。 不过主流的DC-DC降压电路都使用1.2V的反馈电压，而我希望用电流进行反馈，因此设计了一个这样的电路图： 
但是，由于单电源下，普通运放对于近地电压的检测不够有效，同时我也没在本地找到DC-DC降压芯片的零售商，所以这个电路最终没有能够实现。 这时候，我的一个朋友 肉丝 知道了我的打算，告诉我说如果是PWM调节一类的，用单片机也可以实现，而且价格也不贵。 对于单片机我了解甚少，所以首先第一个问题就是，单片机的体积是否足够小。肉丝告诉我，有只有8个脚的单片机，推荐了其中一款：Atmel的ATTINY13。 我粗略看了一下这款芯片的参数，发现的确可以用在我需要的场合，于是就放弃了用专用DC芯片的方案，改为用单片机实现。 在购买了基本的芯片，下载线等设备，又下载了一些相关的datasheet，应用资料，之后，我开始艰难的单片机之旅。而原因仅仅是我需要一个车灯而已:P 关于我学习单片机的过程，并不是非常复杂，基本就是拼命看datasheet，拼命烧程序。因为有C语言的基础，单片机的程序对我来说并没有什么实质难度，倒是对相关概念的知识太少，以及对器件和开发环境的生疏导致了大量的问题。 这一篇到此为止，比较短，下一篇开始介绍 基于单片机的大功率LED驱动电路。
基于MCU的LED驱动电路 前几篇介绍了一些LED的基本特性和现有的电路，这一篇介绍我自己开始研究和组装的基于MCU的LED驱动电路。 模拟的升压，降压电路，分为PWM和PFM两种基本方式，单片机本身有PWM输出，因而在功能上可以模拟这类模拟电路。 只是因为单片机的PWM一般来说精度比较低，而且不能无级调节，同时在频率和响应速度方面也没有什么优势。但是用在简单的LED照明方面，因为对输出精度的要求比较低，所以个人认为是可行的。 于是有了第一个设想，用单片机模拟一个DC-DC降压电路。 我查阅了一些网上资料，偶尔看到有人曾经做过这类尝试，但是由于反馈速度慢，最终亮度波动明显，并不实用。 于是在一开始就放弃了利用电流反馈动态调节PWM的做法，改用对电源电压做响应，根据不同的电压值，直接确定PWM参数。这样有了第一个电路图： 
电路中左侧的两只电阻用来对电源电压分压，提供给ADC口，而PWM则直接驱动场效应管。 现在来考虑这个电路，有三个重大缺陷: - 是LED属于电流控制型负载，电路使用电压反馈本身就是不合理的。
- 是电压接近LED额定电压的时候，PWM调节没有办法提升分辨率。
- 是回路的逻辑是：电压低，则占空比加宽，由于电池内阻比较大，占空比加宽导致负载加重，电压进一步降低，形成正反馈，极易导致波动。
这三个缺陷导致这个电路最终无法成功，而在实际搭建过程中，由于我对相关技术的不熟悉，问题层出不穷。 第一个问题是最严重也是最容易解决的，就是我首次电路组装完毕，上电竟然发现mcu不工作。 经过仔细检查，修改程序，发现当mcu启动，开启PWM的时候，导致的电源电压降低形成干扰，引发了mcu重置。 于是在mcu的电源脚并联了4.7uF电解电容，问题解决。
第二个问题是，mcu工作之后，对电源电压进行采样，但是由于电源电压在LED这种大负载下波动严重，采样得到的数值是一系列近乎离散的数据，根本就没有办法确认哪些是实际的电压值。
与此同时mcu工作在不稳定的电压下，本身ADC的精度也会大受影响。这个问题导致这个方案几乎陷于瘫痪。于是我只好采用先手动测量电池电压，然后修改程序PWM输出的方式做测试。因为这个，前后烧写程序多达500次。
第三个问题，我改变工作电流，从300mA提升到700mA，mcu重置的问题再次出现，后来使用了1uF电容并联才解决。
提升工作电流之后，第四个问题随之出现，就是提高PWM，没有影响最终输出。这个问题让我疑惑了很久，最终仔细检查发现使用的线路内阻太大（我曾在ednchina论坛发贴说明这个问题）。过高的线路内阻导致PWM提升到一定程度后，电流主要由线路内阻制约而无法进一步提升。
我随便找了一个电动机的电源线，外径2mm左右，内部多股铜线拧成1mm左右，更换电线后，电流输出趋于正常。
这些问题逐步解决，我开始着手处理ADC采样数据过于离散的问题，设计了各种算法，取均值，取最高值，等方法，最终都没有取得可用的效果。
这时候，我在手电论坛发布了我制作这个电路的消息，有人跟帖说希望能安装在厚度只有4mm的空间。我因为使用了电感元件，无法满足这一要求。 考虑到方案问题太多，而实际应用对空间要求比较苛刻，我决定放弃DC-DC变换的方式，采用直接PWM驱动。 于是这个方案宣布彻底失败，新的方案随之而来。 PWM直接驱动的缺点是效率相对低（但是比电池串连电阻直驱还是要高的多），但是由于避免了电感元件，带来的体积缩小很明显，是个值得尝试的方式，而且国外厂家也已经推出过这类产品，在可行性上有一定的把握。 我的下一篇介绍，使用PWM直接输出的LED驱动电路。敬请期待:)
基于MCU的大功率LED PWM驱动电路 在上一篇，介绍了使用PWM模拟DC-DC来进行驱动的尝试。最终以失败告终，这一篇介绍使用PWM直接输出的方式，进行驱动。 先看电路图： 
除了省略了一个电感之外，这个电路和前一个很相似。 有了前一个电路组装过程中积累的经验，这个电路的搭建过程就简单多了。也没有遇到什么实质性的问题。 驱动的原理非常简单，采样方式的更改，把原来对电源电压采样，改为对采样电阻上的电压进行采样。由于采样电阻是固定数值，这个采样的结果也就直接反映了驱动电流的大小。 mcu检测处在导通状态时，电阻上的电流，然后计算出能够使得平均电流等于额定驱动电流的PWM数值，然后直接输出。而由于没有电感环节，这个PWM的计算也只是单纯的乘除法而已。 电源两端并联的大电容和LED两端并联的电容是为了降低LED电流的波动。由于LED在大电流下光效低（这个在连载一中有介绍），如果单纯控制平均电流，会得到电效率高，但是光效反而低的结果。 实际测试，如果不并联电容，电源电压升高引起开启状态电流增大，在保持平均电流不变的情况下，亮度降低明显，不过LED的发热并没有显著增加。 这个电路最终测试成功，作为我设计并制作的第一款可用的电路，我决定制作pcb出一个像样的成品。 考虑到最终可能会面临的苛刻的安装要求，电路的配件全部采用贴片元件，而两个电容则采用了昂贵的钽电容。最终pcb的尺寸直径16mm，厚度约3mm，基本可以满足各种预期的安装空间了。 现在，pcb已经在制作中，而定购的电子元件也已经在路上了。 在这个过程中，ednchina的主编cocappjj和版主wanghaibing给予了大力协助，在此特别表示感谢！ 从最早的设计，到最终的电路，整个过程漫长而又艰辛（呵呵，有点夸张），我也充分体会到设计和制作一个哪怕如此简单的电子产品有多么复杂。 作为一个业余爱好者，虽然无法完成那些精致专业的设计，但是，拥有自己的想法，并且勇敢而认真的把它变为现实，也是很值得骄傲的。
实际组装，问题浮现 元件和PCB板已经到手，我马上开始了最后的组装工作，本以为会非常简单，实际却又出现了各种问题。 按照最终电路图焊接成功，用自制的MCU座烧写了程序，加电，结果。。。。MCU再次罢工。 这个时候出问题，是比较致命的，pcb已经做好，不方便再改，而元件买了也不能退。如果再次修改设计，那成本可就要翻倍了。 于是我仔细检查了实际电路和我测试期间实用的电路究竟有何不同。最终发现，除了在布局上的差异之外，主要的区别有两个，一个是MCU从直插版本换成了贴片版本，另一个是滤波电容使用了贴片钽电容，而测试电路使用的是直插铝电解。 由于MCU的封装并不会带来性能上的差异，我把目光集中在了贴片钽电容上。 钽电容的特点是低ESR带来更好的滤波效果，而且在容量/体积比上具有比较大的优势。初步分析认为是并联在LED两端的钽电容，在mos导通的时候其初始电压为0，导通的初期基本可以看作是短路状态。 这个处在近乎短路状态的电容，在电路启动的时候，把mos管的强力拉低直接转加在电源滤波电容上（尽管这也是个钽电容），这个动作导致的电压跳变可能干扰了MCU的正常运行。 于是，我直接去掉了并联在LED上的钽电容，结果电路工作正常，可以证明，我的推断是正确的。 尽管这个正确的推断可以解决MCU罢工的问题，但是对于电路造成的最终影响却无法解决。LED并联电容是为了减少电流波动，从而使LED尽可能工作在平稳的电流下，得到比较高的光效。 如果单纯去掉这个电容，LED的光效会因此大打折扣，这就抵消了LED高光效的优点，不利于节省电池能源。我用了一个10uF的电容代替这个钽电容，发现问题依旧，由此推测，可能钽电容只是原因之一，pcb面积的狭小降低了线路自身的电感，也是重要的因素。 现在修改pcb不太现实，替换电容又不能达到效果，左右为难。 思前想后，我决定把电容替换为一个倒置的开关二极管。而在外部电路使用一个串连电感来起到稳定电流的作用。线路板上的二极管起到续流作用。 这个是新的电路图： 
当电源电压和LED的额定电压比较接近的时候，电感可以省略，这时候峰值电流比较小，LED的光效降低不明显。
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