大功率LED（以下簡稱HBLED）經(jīng)過近十年的發(fā)展，已逐漸被人們認(rèn)知和應(yīng)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(shè)計上與傳統(tǒng)燈具有著根本區(qū)別，表現(xiàn)在需要恒流驅(qū)動方式，單向?qū)щ娕c非線性特性阻抗，低壓大電流工作，發(fā)光體本身耐熱能力弱等方面。
因?yàn)楣╇姺绞讲煌?，在?qū)動電路設(shè)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(qū)動器設(shè)計的合理化做一些闡述。

所謂超低壓HBLED驅(qū)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(zhuǎn)換，輸出大功率恒流源驅(qū)動HBLED發(fā)光的專用驅(qū)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?qū)щ娕c非線性阻抗特性。因此驅(qū)動HBLED不能使用傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源，只能通過可控精密恒流源來驅(qū)動，否則穩(wěn)壓電源微小的電壓升高也會導(dǎo)致流經(jīng)HBLED上電流數(shù)倍到數(shù)十倍電流增加，輕則減少其光衰壽命，嚴(yán)重時會瞬間燒毀HBLED。

目前HBLED照明行業(yè)還沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)出臺，筆者在本公司HBLED燈具照明標(biāo)準(zhǔn)中定義：超低壓標(biāo)稱范圍是1.0-3.3VDC，此范圍是依據(jù)目前通用電池品種的特性定義的，在ULD設(shè)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(rèn)識，下面我們就較為全面的認(rèn)識一下ULD的電路合理化設(shè)計，除二次鉛酸與一次鋰電池外，表中其它電池在應(yīng)用中，單節(jié)與雙節(jié)電池可以使用同一ULD驅(qū)動HBLED，電壓越低，電路設(shè)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(jié)電池的ULD應(yīng)用設(shè)計。

一、ULD的設(shè)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(zhuǎn)化而來，目前世界上最好的光伏電池板光電轉(zhuǎn)化率也不過20％左右，因此，這些轉(zhuǎn)化來的電能非常保貴，要想實(shí)現(xiàn)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(lián)損耗，增加電池板并聯(lián)模式，以大電流超低電壓方式為二次電池儲能。目前行業(yè)中能應(yīng)用到的綜合指標(biāo)比較優(yōu)秀的二次電池首選是鎳氫電池。

要實(shí)現(xiàn)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(shù)量，提高光效轉(zhuǎn)化率。以上兩點(diǎn)表明，ULD在HBLED燈具上的應(yīng)用是這些領(lǐng)域向環(huán)保、節(jié)能、高效發(fā)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(biāo)是指ULD恒流輸出能維持HBLED輸出光通量在0.25Lf（Lf表示標(biāo)稱驅(qū)動電流時的HBLED輸出光通量）以上的電路驅(qū)動能力，從圖1中可以看出，對于一個HBLED燈具來講，單節(jié)電池輸出電壓降到1.0V時，通過HBLED驅(qū)動器輸出恒流值應(yīng)不小于0.2Icc（Icc是標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(xù)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(fā)出最大的光通量是燈具行業(yè)共同努力的目標(biāo)，我們以LUMILEDS公司開發(fā)的1WHBLED為例，在Icc=350mA時達(dá)到1.0Lf光通，如果電流過大，1WHBLED將不能保證應(yīng)有的光衰壽命甚至損壞。而人為減小電流，又達(dá)不到HBLED應(yīng)有的亮度。

HBLED單向?qū)щ姾头蔷€性決定了HBLED只能用恒流源來驅(qū)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(shè)計者設(shè)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(nèi)ULD輸出電流變化率不超出5％（使用GPS-1850D穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)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(fā)現(xiàn)殘留電量依然可以支持HBLED照明較長的時間，優(yōu)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(fā)揮出來，用于照明，此功能在廣大農(nóng)村與應(yīng)急場合非常實(shí)用。因此，筆者對ULD定義的最低起動電壓出貨標(biāo)準(zhǔn)為1.0V，應(yīng)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(tài)下，電池內(nèi)阻會占用大部分電壓而使得ULD無法起動。

五、超強(qiáng)的續(xù)航能力

這一指標(biāo)主要是考驗(yàn)ULD的超低電壓工作能力，通常一次性電池的終點(diǎn)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(xù)航照明。依照前文所講的續(xù)航照明標(biāo)準(zhǔn)，以60Lm的LUMILEDS1WHBLED為例，當(dāng)續(xù)航照明光通輸出為0.2Lm時，驅(qū)動HBLED的電流僅為幾個mA左右（在低于100mA的恒流驅(qū)動HBLED時，HBLED發(fā)光會進(jìn)入一些不穩(wěn)定狀態(tài)，此時建議電源設(shè)計者采用脈沖方式驅(qū)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(xù)航能力實(shí)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(shí)測當(dāng)中，使用單節(jié)DURACELLMX1500AA電池供電，驅(qū)動LUMILEDSSX0HW-LXHL-MW1D1WHBLED,正常照明時間約1.5小時，續(xù)航照明時間可達(dá)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(jié)的放電終止測試電壓均在0.9V左右，因此當(dāng)電路工作到1.0V以下時，電池會出現(xiàn)一些難以預(yù)料的電力問題，為了能延長續(xù)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(zhuǎn)化效率。以筆者設(shè)計的TDU0201E1WULD為例，如圖2，當(dāng)輸入電壓低于1.0V并繼續(xù)下降時，ULD轉(zhuǎn)化效率不能繼續(xù)下降，圖中顯示，在1.0V左右出現(xiàn)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(shí)現(xiàn)，只能通過減少輸出功率的方式，來減少電池內(nèi)阻帶來的功率損耗。
理想中的轉(zhuǎn)化效率越高越好，但這與驅(qū)動器成本、體積等因素都有密切關(guān)系，技術(shù)不斷進(jìn)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(shè)計上采用了1.0V電流反斜率曲線這一設(shè)計理念，在電池電壓降至1.0V以下時，輸出電流會發(fā)生銳減，當(dāng)電池電壓降至0.8V以下時，ULD輸出電流應(yīng)盡可能減至0.2Icc以下，以保證電池的續(xù)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(jié)電池電力不足，需要盡快充電，這是很重要的一點(diǎn)，因?yàn)閷τ诙坞姵毓╇姷腍BLED燈具來說，電池低電量直接關(guān)機(jī)的設(shè)計方式，會使部分用戶在黑暗中處于危險境地。

八、實(shí)際的電池應(yīng)用特性實(shí)例

以上論述都是基于理論設(shè)計并用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行測試的結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，將單節(jié)電池放入用TDU0201E作驅(qū)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(jìn)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)的熱阻、開關(guān)接觸阻抗等，關(guān)于這些內(nèi)容的論述可以參考其它文獻(xiàn)。技術(shù)在不斷的更新和發(fā)展，我們力求能將HBLED的高效、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)通過技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，為社會創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。