图1带限流电阻的LED电路
图1带限流电阻的LED电路
发光二极管(led)由于其独特的组合，能源效率高，使用寿命长，输入电压可选范围广，对振动不敏感，体积小，瞬间重击和极好的显色潜力，已成为一种流行的海面和海面以下的光源。
LED的效能是衡量电能输出光的指标，它已经超过了所有其他光源，成为所有光源中效率最高的。它们的总光输出简直令人惊叹，集成LED阵列现在可以超过最亮的HID灯。LED照明系统的亮度足以伤害人类的眼睛，需要操作人员的谨慎，制造商的警告。
虽然在固态器件的快速发展过程中，人们理所当然地给予了它们极大的关注，但led只是更大电子电路中的一个组件。led是微小易碎的设备，如果过热或暴露在过高的电压或电流中，很容易损坏。这些设备需要一个外部电子电路，通常被称为“驱动器”，以安全地控制施加到它们上的电源。这篇文章将着眼于发光发射器背后的驱动电路。
电力供应
图2 LED线性稳压驱动器
驱动电路可以是恒流或恒压装置。恒流驱动器调节电流，允许输出电压调整，而恒压驱动器调节电压，而不管负载的电流。照明LED所需的正向电压(Vf)随着温度的变化而变化，因此当它们作为恒流直流器件运行时，输出更稳定。调节LED功率的基本方法有三种:1)限流电阻，2)线性调节器，3)开关模式调节器。
电阻电路结构简单，占用空间小，成本低。它们通过降低提供给LED的电压来限制电流。固定电阻需要一个恒定电压源来提供恒定电流。它们通过电阻负载浪费电力，产生多余的热量。如果线路电压波动，可能会损坏led。
线性稳压器广泛使用，价格便宜，并在广泛的电压输入上提供电流调节。线性调节器的工作原理类似于分压器网络中的可变电阻，不断调整以维持预定的输出电压。他们使用一个简单的反馈回路来控制施加到负载上的电压。如果线路电压波动，它们可以防止负载看到过大的电压。然而，供电电压和输出电压之间的差值越大，效率越低，因为差值作为热量消散。50%或更低的效率是常见的，这意味着这个电路会浪费和LED串使用的一样多的电力。
开关模式电源(SMPS)允许广泛的电压输入范围，通常是85%或更高的效率，可以提供升压(步进)或降压(降压)电压控制，并具有大多数的自调节和调光控制选项。缺点是它们可能体积庞大，成本更高，并产生更大的电磁干扰/射频干扰，可能干扰相邻或连接的设备。因为它们更复杂，需要更多的工程开发工作。
图3简化LED恒流开关电源
一个SMPS开关电感开关的速率从几十千赫到几百千赫。LED电流保持连续(永远不会到零)，因为当开关“关闭”(自由循环)，在其传导周期(开关=打开)期间，储存在电感内的电荷被引导到LED。
开环控制器通过开关电感器间接调节LED电流，直到达到预设的电流限制，此时开关关闭，电感器内存储的电场反向，存储的电荷释放到LED中。这个循环在下一个时钟周期中重复。
闭环控制器可以像上面那样进行开环控制，但有一个额外的控制环，允许更严格地调节LED电流。LED电流是直接监测的，(与电感电流相反)，开关的门控是响应LED电流而不是简单的电感电流。这就大大提高了LED电流精度，减少了LED纹波电流。
使用这种设计，可以实现许多其他的保护功能来保护线路或灯本身，这将在后面进一步讨论。
设计用于驱动高功率led的电源电路必须包含主动保护功能，以实现安全可靠的运行。这些可以包括软启动，短路检测，过压保护，欠压锁定，热回滚和逐周期限流。
软启动(SS)为led提供从零到最大工作电流的可控升压电流，而不是在启动时从零到最大的步进激增。软启动大大减少了上电时的有害涌流。
SCD (Short Circuit Detection)用于检测输入或输出电流过高。通常，当在LED串中检测到短路时，一个通常称为“打嗝计时器”的尝试-等待-再尝试循环将启动一个序列，控制器将在检测到短路时立即停止，等待一段时间，然后重新启动。如果短路持续，控制器可以被设计成在若干次重试后关闭。
过压保护(OVP) -检测输出过压情况，如果多个LED串中的一个LED成为“开路”，恒流驱动器试图提高电压，以维持预设的电流，就会发生这种情况。OVP检测从恒流驱动器到开路的过电压输出，并使用“打嗝计时器”启动一个尝试/重试循环，如上所述。如果过电压条件持续存在，控制器将在若干次重试后关闭。
欠压锁定(UVLO)用于防止LED电源在上电时因欠压电源而产生过大电流。该特性通常作为输入上的阈值检测器实现，要求在启动开关模式电源(SMPS)之前输入电压至少为某个最小电压。如果没有这个特性，控制器可能会在一个低于预期的输入电压下启动，从输入源吸取过多的电流。它最好作为非锁存特性实现，当源电压增加时，允许单元恢复。
热回滚(TRB)利用温度传感器，热耦合到LED发动机提供反馈给控制器。当LED温度超过预先设定的上阈值时，LED电流根据温度传感器的变化逐渐减小，保持LED工作温度的安全。在安全工作区(SOA)之外操作led会大大降低其使用寿命和效率。温度回滚的优点是即使在过热的情况下也能提供有用的光，这是深海操作人员所欣赏的功能。另一种选择是热开关，当温度上升到一定值时，它就会关灯。它们占用空间小，价格便宜。
逐周期限流是开关模式电源(SMPS)在每个开关周期检查其FET开关电流的一种方法。如果超过最大开关电流，到开关场效应管的门控脉冲被终止，直到下一个周期由控制器的内部时钟周期发起。周期电流限制防止损坏，瞬时，过电流破坏场效应管开关或led。
高效的驱动电子设备已被开发，以适应广泛的电源可用在水下有人和无人驾驶车辆的应用。1032VDC的电源输入能适应广泛的电池电压范围。高压交流/直流(180240VAC, 5060Hz)，通用输入(85265VAC 50/60Hz)，隔离反激和非隔离降压/升压转换器，加上功率因数校正输入都已成功测试。小型化是一个重要的设计目标，既要紧凑又要减少内爆风量。特别是电池供电系统，高效率是关键的设计目标。DSPL工程师已经测试了高输出功率开关模式调节器，为LED阵列提供精确恒定的电流，效率超过93%。
图1。基本的SeaSense命令示例。
调光
汽车设计师想出了许多新奇的方法来调暗汽车上的灯光。水下照明调光控制接口包括隔离和非隔离控制电压(05vdc、010VDC)、电流环(420mA)、PWM、串行通信、TCP/IP通信、相位控制、DMX、可变输入电压和开关。上述许多方案都可以用于控制商用现货(COTS)相位控制调光器。
美国交流墙电源为120V, 60循环，单相。120VAC是正弦电压波形的均方根平均值。峰值电压是均方根值乘以根号2(1.414)。峰值电压120VAC (rms) = 120VAC * 1.414 = 170VAC。这将很快产生重要的后果。
一些120VAC线路板LED灯不使用驱动电路或电源。他们使用简单，低成本的串联电阻或线性调节器。使用简单的调光技术时存在闪烁的风险。其他的灯，如DeepSea的Matrix系列，包含集成的驱动和电源，因此，即使在不同的交流输入，驱动提供恒定的电流，并执行调光，没有明显的闪烁。为了使灯可调光，驱动器必须设计成能够解释控制信号并产生一定范围的LED电流。增加的控制电路可能会稍微降低驱动器的效率和成本，但提供了一个无闪烁和更宽的调光范围的优势。这对于视频成像系统来说是非常重要的，因为相比于胶片或人眼，这些系统对相位消隐和黑视频帧更加敏感。
相位控制调光用于家庭墙壁调光器，它是围绕一个非常健壮的电子开关建立的，称为“可控硅”。由于它们延迟输出的转动，直到达到一定的相位角，导致非常大的电流瞬态，因此在电方面噪声很大。这些电流尖峰会与线路失相，导致传输线发热和能源浪费。这些线尖峰还可以通过串扰降低视频质量。
电阻性光源，如白炽灯，与相位控制调光器配合得很好，因为它们通过加热一个元素产生光，使其对脉冲功率反应缓慢。然而，led是一种电子设备，对脉冲功率能瞬间反应。这将使LED在相位控制调光下出现闪烁。
从120VAC市电驱动LED的一种低成本方法是使用桥式整流器通过限流电阻到LED的一系列串。这样做的好处是使光与相位控制和可变电压调光在某种程度上兼容。以这种方式驱动和调暗LED的缺点是，LED在电压上升到LED串的正向电压(Vf)之前不会发光，当电压下降到该串的正向电压(Vf)以下时将关闭。因此，调光器只在很小的控制范围内有效，而且光线容易受到大多数人熟悉的荧光灯的“60周期”闪烁的影响。
这种方法的缺点是，如果在过高的电压下驱动LED，就会产生过大的压力，就像交流电源提供的峰值电压超过LED的限制一样。例如，Cree XPG LED在1000ma时额定Vf为3.3vdc。将36个Cree XPG串联在一起，总串Vf将接近120V rms。从图4中可以看出，LED串直到Vf(Min)约为2.64V/LED或串内95V时才会打开。同样地，LED在曲线背面的这个电压处关闭。这意味着灯在半个周期的35%左右是不亮的。峰值电压可高达170V。制造商称Vf(Max)为3.75V/LED，或135V与36个LED串联。因此，LED有40%的时间是过度驱动的，这很可能会影响其使用寿命。
相位控制调光器延迟电压的应用，直到0180º循环中较晚的一点。当以某个相位角施加电压时，比如如图5所示的60º，电能从零瞬间过渡到相应的峰值，产生涌流和EMF信号。
我们测试的一个相位控制调光器可以将一个白炽灯从关到全亮的旋转范围从360度中的大约300度调暗。然后我们尝试了一个LED灯与36个LED串在一起，如上所述。在300º中，大约30º的光线由亮变暗，而剩下的270º则完全是“关”的。设计师可以通过移除一些LED来提供更大的调光范围，从而降低整体Vf。然而，这将导致通过LED的峰值电流可能超过其最大推荐值。这也将使光的效率降低，因为串联电阻将不得不降低更多的电压，产生更多的热量。
120VAC照明设计的另一个诱人方法是使用首尔半导体Acriche，这款LED被其制造商称为“世界上第一个不需要转换器直接从交流电源运行的半导体光源”。在LED硅胶透镜下是两个平行但极性相反的36个微小LED串串联在一起作为桥式整流器。Acriche需要使用一个类似于上述“低成本”桥式整流器设计的外部限流电阻，这降低了电压并降低了系统效率。虽然使用Acriche可以与相位控制调光开关或Variac™直接兼容，但由于上述低成本桥式整流器设计的所有缺点，调光性能充其量只能令人失望。
这并不是说用相位控制就不能有效地调暗led。DeepSea Power & Light开发了一种先进的LED驱动器，兼容相位控制调光开关，在125W以上的功率输出时，提供平滑、连续的LED电流，线性调光比超过400:1，效率超过85%。
使用直流驱动电路，LED亮度通常使用PWM(脉冲宽度调制)控制，改变正向电流，或两者。PWM“斩”LED串的有效“ON”时间的速率远高于可见感知的速率，改变LED的平均“ON”时间，从而改变亮度。改变led正向电流也会影响亮度。结合使用，可以实现非常高的调光比。
当评估集成到系统中的led和调光控制的兼容性时，设计人员应该考虑执行评估测试，以确保组件组合将按照指定的方式工作。驱动与电源和调光控制的交互将决定LED串是否在调光器的所有调光级别都是打开的，LED串在调光器的运行过程中是关闭还是“切断”，以及当LED串调光时是否有任何明显的闪烁或频闪效应。
结合LED灯的设计师在市场上有几种选择，以找到最适合的空间，电力，调暗控制，以及光学聚焦光在一个点或洪水模式。与更大系统的接口需要系统集成商和水下灯制造商采用一种共同的设计语言。设计师拥有许多控制选项。如果没有严格的电力预算或对清洁视频的需求，那么更低效率、更便宜的解决方案可能是一个很好的选择。如果需要更高的效率或更好的视频质量，具有附加LED保护功能的开关模式控制器是一个不错的选择。
有关LED驱动器选项和设计的更多信息，请联系DeepSea Power & Light或访问www.pgiwine.com。