3.2.4 汽车LED照明驱动电路的设计步骤
1.确定照明需求和设计目标
设计目标是基于现有灯具的性能，或是基于应用的照明需求。LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。因此，在建立设计目标之前就必须确定照明要求。对于某些应用，存在现成的照明标准，可以直接确定要求。对于没有照明标准的应用，可先确定现有照明特性后，再确定应用的照明需求。照明灯具的光输出和功率特性是确定现有照明特性的关键，根据照明灯具提供的技术参数，可获得各种灯具的关键特性，由此确定现有照明的特性。
照明要求确定好了之后，就可以确定LED照明的设计目标。设计目标应根据应用照明需求而定，并应列出影响设计的所有其他目标，如特殊光要求、耐高温要求等。与定义照明要求一样，关键设计目标与光输出和功耗有关。设计目标应包括工作环境、材料清单（BOM）成本和使用寿命。
2.估计光学系统、热系统和电气系统的效率
设计目标会对光学、热和电气系统产生限制，根据这些限制对各系统的效率进行估计，将照明目标和系统效率结合起来，能确定照明需要的LED数量。设计过程中最重要的参数之一是需要多少只LED才能满足设计目标。其他的设计决策都是围绕LED数量展开，因为LED数量直接影响光输出、功耗以及照明成本。
查看LED数据手册列出的典型光通量，用该数除以设计目标流明值，依据此设计方法将满足不了应用的照明要求。因LED的光通量依赖于多种因素，包括驱动电流和结温。要准确计算所需要的数量，必须首先估计光学、热和电气系统的效率。
（1）光学系统效率
通过分析光损失估计光学系统的效率，要分析的两种主要的光损失是：
1）次级光学器件。次级光学器件是不属于LED本身的所有光学系统，如LED上的透镜或扩散片。与次级光学器件相关的损失，根据使用的特定元件的不同而变化。通常各次级光元件的典型光学效率在85%～90%之间。如果照明需要次级光学器件，则存在次级光损失。
2）灯具内的光损失。当光线在到达目标物之前，打到灯具罩上时，就产生了灯具光损失。某些光被灯具罩吸收，有些则反射回灯具。固定物的效率由照明的布局、灯具壳的形状及灯具罩的材料决定。LED光具有方向性，可达到的效率比全方向照明可能达到的要高得多。
采用次级光学器件的主要目的是改变LED的光输出图像。图3-70所示将CreeXLampXR-ELED的光束角度与目标灯具的光输出图像进行了比较。裸LED的光束角度与目标灯具的非常相似，所以不需要次级光学器件。因此，不存在次级光学器件引起的光损失，只需计算灯具损失。假定灯具反射杯的反射率为85%，60%的光将打到反射杯上。因此，光学效率为
η=(100%×40%)+(85%×60%)=91%
（2）热损失
LED的相对光通量输出随着结温的上升而降低，大多数LED数据手册都给出了25℃下的典型光通量值，而大多数LED应用都采用较高的结温。当结温Tj＞25℃时，光通量肯定比LED数据手册给出的值低。
图3-70 CreeXLampXR-ELED的光束角度与目标灯具的光输出图像比较
LED数据手册中有一个曲线给出了相对光输出与结温的关系，XLampXR-E白色LED结温对应光通量减少曲线如图3-71所示。该曲线通过选择特定相对光输出或特定结温，给出了其他特性值。
XLampXR-ELED在额定工作50000h后提供平均70%的流明维持率，结温保持在80℃以下。因此，最高适合结温为80℃。对应的最小相对光通量为85%。这一85%的相对光通量是对照明热功效的估计值。
（3）电气损失
LED驱动器将可用功率源（如汽车蓄电池）转换成稳定的电流源。这一过程与所有电源一样，效率不会达到100%。驱动器中的电气损失降低了总体照明效能，因为有部分输入功率浪费在了发热上，而没有用在发光上。在开始设计LED系统时，就应考虑到电气损失。
典型LED驱动器的效率在80%～90%之间。效率高于90%的驱动器的成本要高得多。驱动器效率可能随输出负载而变化。LED驱动器效率与负载的关系曲线如图3-72所示。应指定驱动器工作在大于50%输出负载下，以使效率最大，并使成本最低。
图3-71 XLampXR-E白色LED结温对应光通量减少曲线
图3-72 LED驱动器效率与负载的关系曲线
3.计算需要的LED数量
（1）实际需要的流明量
根据设计目标和估计的损失程度，可以计算满足设计目标的LED数量。所有系统效率估算好之后，就可计算要达到设计目标需要的实际LED流明数。因为电气效率只影响总功耗和灯具效能，因而不影响照明的光输出量。实际BS的计算如下：
BS=BM/(ηGηR) （3-28）
式中，BS为实际流明；BM为目标流明；ηG为光学效率；ηR为热效率。
（2）工作电流
另一个需要确定的是LED的工作电流。LED的工作电流对确定LED照明的效能和使用寿命是很关键的。因增加工作电流，则各LED的光输出会变大，因而减少了所需的LED数量。增加工作电流的同时也带来以下缺点：
1）功效降低。工作电流提高会降低LED的功效，一般电源尺寸大小将随着工作电流的提高而增大，因为产生相同的流明数需要的功率更大。
2）最高环境温度降低或使用寿命缩短。电流的提高将增大LED结和LED热通道的温差。实际上，由于已经确定了最高结温，因此这样可以降低照明的最高环境温度。反之，如果最高环境温度不是降低，而是升高，则在LED的使用寿命期内，光输出下降会更快。
根据应用的不同，在设计中LED的使用寿命和功效是应优先考虑的设计目标，选择LED数据手册所列的最小工作电流，可最大限度地提高LED功效并延长使用寿命。
（3）LED数量
工作电流确定之后，就可以计算各LED的流明输出数。由于LED的热损失已经在实际需要的流明数计算中考虑到了，故LED供应商提供的技术参数可以直接使用。
在设计中应使用LED技术参数中的最小光通量，而不是LED技术参数中给出的典型值。根据此最小光通量来设计，可确保满足设计目标的要求。若使用4000KCCT的XLampXR-ELED，350mA时的最小光通量为67.2lm。若汽车前照灯的亮度需求近灯为900lm，远灯为1100lm，整体需求为2000lm，则实际流明BS1=900lm，BS2=1100lm，则LED的数量SLED计算如下：
SLED1=BS1/BD＝900lm/67.2lm=14只LED
式中，SLED1为LED的数量；BS1为实际流明；BD为每只LED的流明数。
SLED2=BS2/BD＝1100lm/67.2lm=17只LED
式中，SLED2为LED的数量；BS2为实际流明。
在LED产业中，应对磊晶造成芯片的不均匀而分类销售，特别是高瓦数的芯片在LED产业上是全检出货，依照波长亮度进行分类，也因此封装后的个体存在着细微的差距，此差距可能存在于亮度、色温或是可靠度上。然而应用于汽车LED前照灯时，不可避免会利用多只LED以输出足够亮度进行光学设计，此时需特别注意LED质量检测与质量控制环节，以确保相同质量的光源输出。
4.光学系统选项
LED数计算好之后，考虑满足设计目标的所有设计可能。由于每只LED都是一个照明光源，比传统照明的使用寿命要长许多，因此LED可以与新型和非常规设计元件一起集成到照明系统中。设计中可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次级光学器件。
LED灯具的光学二次开发在整个灯具设计的过程中扮演了非常重要的角色，在整个的灯具整体设计流程中应该是优先考虑的一个环节。在照明领域，目前国内常用的光学软件主要分为两类：照明工程设计软件和灯具配光设计软件。照明工程设计软件的作用是依据已有的标准化灯具制定一套最佳的使用方案，为应用提供最好的视觉需求。目前，常见的照明工程设计软件有DIALux、OxyTech等。灯具配光设计软件的作用是依据光源的特点以及期望的光学效果设计出相应的光学器件。以LED灯具为例，LED用反光杯和透镜就是常用的实现期望光学效果的光学器件。
1）裸LED和现有灯反射器。现有CFL灯具的角度和LED的角度非常相似，因此，若选则不使用次级光学器件。可使成本最低，并且系统光损失最小。使用的元件较少，所用费用也较少，可使照明系统组装更简单，并且费用更低。缺点是会出现多照明阴影效应。如果LED的光分布与目标照明的光分布差异很大，就不能采用此方法，则应采用次级光学器件。
2）带有次级光学器件的LED和现有灯反射器。次级光学器件是除LED初级光学器件外附加的光学元件，用于对LED的光输出进行整形。一般的次级光学器件类型为反射（光从某个表面反射回）或折射（光通过折射材料弯曲，折射材料通常为玻璃或塑料）。次级光学器件可以通过购买标准件、现成的零件或用照明模型通过光线跟踪模拟来设计定制。
每个LED使用一个次级光学器件，各LED的光束角度就可以定制，从而得到所需的准确光图像输出。例如，可以缩小各LED的光束角度，可优化点照明，而不是优化普通照明。采用次级光学器件存在以下缺点：
①因为增加了元件并且装配较复杂，所以照明的成本较高。
②由于光学器件连接到各LED上，可能仍然存在多照明阴影。
③次级光学器件会降低光学系统的功效。
3）不是每只LED都使用一个光学器件，整个LED阵列可以使用一个漫射器来传播光。这种方法的优点是光束角度比裸LED能达到的光束角度宽，并且消除了多照明阴影效应。光照度分布、多源阴影效应和美观度通常也决定了光学系统的选择。
常见的LED用光学器件形式有反光杯和透镜，各有优点和局限性，应该根据需要来选择。相比于反光杯，透镜对光的损耗要更大，而且透镜还存在色散问题。但是，在处理小角度（例如光束角20°以下）的配光需求时，反光杯会显得很笨拙，而透镜则比较容易。
光学设计时先考虑法规需求，讨论视角与强度关系，以近光灯为例须针对其特殊的15°扬角设计。在传统的灯具设计上由先期的利用反射罩配合透镜刻纹作角度与强度的控制，演变成为利用反射罩直接控制强度和角度，也发展出利用成像方式的鱼眼透镜设计法。不论何种设计方式都须先考虑选用光源的特性，特别是角度与强度的光型输出（Beampattern）。对传统的光源而言，大多为柱状光源，可产生类似蝴蝶外形的光形输出，进而发展出与之搭配的透镜、反射罩、挡板等光学组件。而利用LED作为光源设计灯具时，需重新考虑其光学特性由传统的柱状光源变为平面光源（不同的封装设计有不同的光型输出），进而搭配外部的光学组件而产生不同组合以应用于不同的产品。
目前LED的单位面积发光量尚不及卤素灯泡与放电式灯泡，想得到相同的流明输出，LED需要较大的封装面积。随着光源输出面积的增加，光学设计的难度也随之提升，所以在现有的概念车上，都以模块化光学设计取代既有的单一灯室设计，利用多组灯源达到传统灯具的照明水平，除了降低光学设计的难度外，也增加了车体造型的设计感。汽车前照灯的光学设计采用近光灯光学设计和远光灯光学设计两种类型。
（1）近光灯光学设计
近光灯设计若采用的是椭球+透镜的设计方式，其原理如图3-73所示。根据椭球的几何特性，它存在两个焦点，光源放置在其中一个焦点上，光源发出的光束通过椭球反射面反射会聚集在另外一个焦点上，而椭球的第二个焦点又恰恰是透镜的焦点，根据透镜的性质，焦点上发射出的光线通过透镜的折射，输出的应当是平行光。根据这个原理，就可以根据ECE标准要求适当地改变椭球的形状，目的是使从透镜输出的光水平扩散，然后在透镜的焦点处放置遮光屏，以达到形成明暗截至线的目的。
鉴于目前单只大功率LED的实际光通量（400lm）尚不能满足法规要求，因此，设计了三联透镜组来制作近光灯组，三联透镜近光灯组如图3-74所示。
图3-73 椭球+透镜设计方式的原理
图3-74 三联透镜近光灯组
在配光过程中，针对每个透镜组分别配光，使每个透镜组发挥着不同的作用，其扩散角度也不尽相同，最终确保满足法规的要求，并达到最佳效果。
LED与普通卤素灯发光特性的区别如图3-75所示。卤素灯的发光角度是360°，而LED的发光角度仅在150°左右，在做配光设计的时候，应重点考虑到这一点。因此，实际上只用了1/4椭球。
图3-75 LED与普通卤素灯发光特性的区别
（2）远光灯光学设计
远光灯光学设计采用两种方案：第一种是反射镜配光；第二种是自由曲面的透镜配光。远光灯的光学设计根据ECE标准要求，进行反射镜配光并结合自由曲面透镜的设计使其达到扩散的目的，并且最亮点能超过法规的要求。
1）反射镜配光。反射镜配光是基于抛物面原理进行设计，根据抛物线的几何特性，光源放置在抛物面的焦点上。
2）设计自由曲面透镜配光系统，由LED、散热系统、自由曲面透镜三部分组成，设计中通过对透镜表面部分进行配光设计，实现了预定的扩散目的。
反射镜配光是比较传统的配光方式，也比较容易控制，而自由曲面透镜的配光是专门为LED配光设计的，卤素灯不适合这种方案的设计。
5.热系统选项
1）现有灯具罩。成本最低的方法是将现有设计的灯具罩作为LED照明的灯具罩，但新照明设计不能采用这种方法，因为多数现有罩都是钢制的，热导性差。一般来说，选择钢罩不利于散热。
2）成品散热片。在应用设计中购买成品的散热片，因这种成品散热片的设计经过验证，制造商有完整的技术指标。但其性能、尺寸和形状可能没有面向目标应用而优化。
3）定制散热片。定制方案可为应用提供优化的散热片，但设计中需要利用热仿真软件，或根据目标应用及LED的特性进行热设计。加工和制造费用可能使定制散热片的单位成本高于成品散热片的成本。
目标照明的成本、可用的散热片开发时间以及目标最高环境温度常决定热系统的选择。一般来说，在降低成本比最高环境温度更重要的情况下，选择成品散热片更好。在最高环境温度更重要的情况下，选择定制散热片更优。
LED照明若使用热阻为0.47℃/W的成品散热片，使用这一散热片的最高环境温度可以用下式计算：
Tj=Ta+(Rthb-aPtotal)+(Rthj-spPLED) （3-29）
式中，Tj为LED结温；Ta为环境温度；Rthb-a为散热片的热阻；PLED为单只LED的功耗，PLED=工作电流IF×该工作电流下的典型VF；Ptotal=总功耗=LED数×PLED；Rthj-sp为LED封装热阻。
若照明的参数为Tj,MAX=80℃；Rthb-a=0.47℃/W；PLED=0.35A×3.3V=1.155W；Ptotal=16×1.155W=18.48W；Rthj-sp=8℃/W，则：
TaMAX=TjMAX−(Rthb-aPtotal)−(Rthj-spPLED)=80℃−(0.47℃/W×18.48W)−(8℃/W×1.155W)
=80℃−8.6856℃−9.24℃=62℃
最高环境温度为62℃是可以接受，对需要最高环境温度更高的工作环境，既可以提高最大结温（可能影响使用寿命），也可以改进热系统的Rthb-a（例如选择更好的散热片）。
散热设计是LED光源区别于传统光源的课题之一，传统灯具产生的热远高于LED，传统灯具不会因为高温而降低其光源输出能力，但LED的光输出却会随着本身结温的升高而下降。而其产生的热如何散发到外界环境与其封装结构的材料息息相关，牵涉到使用的散热材料与相关外形，以现有的封装技术最高可允许LED工作在185℃（LumiledK2），但一般因为封装胶材的关系，可允许的工作温度约在125℃。除了考虑光源输出效率之外，亦考虑封装胶材的变质（树脂类材料在高温有老化现象）。
汽车引擎室的温度在灯具附近最高可到85℃，配合LumiledK2可有100℃的散热空间，但若配合一般的LED则只有40℃的散热空间。观察相关热阻，RJunction-Slug、RSlug-Board都决定于封装体，在设计中只能针对RBoard-Ambient开展工作，包括如何将封装体固定于散热基板上、散热结构外形设计、主被动散热考虑与外部环境等条件。因此在进行相关模拟设计时，取得灯具在引擎室内的流场与温度条件后再考虑所需的散热模式。若选用被动散热需要较大的散热空间，对引擎而言是不小的负担；若选用主动式散热，虽然所需散热环境较小，但因为增加了风扇等可动件，反而需考虑此可动件可否通过车灯上的相关法规，包括震动、粉尘、腐蚀与湿气等严苛环境。
制约LED效率的最大障碍应该是散热问题，因此散热系统的设计也是LED前照灯设计的一项重要内容。使用ICEPAK与QFIN软件进行计算机设计与模拟，使用QFIN主要用于设计散热器的叶片。散热器的形状与车灯的结构有很大的关系，但与散热效果关系不大。与散热效果关系大的主要是叶片的间距与厚度。
LED芯片和涂覆的荧光粉都是在几百度的高温条件下生产出来的，本身有一定的耐高温能力。但是，LED的外壳和管芯之间存在热阻，这个热阻使LED在使用时外壳和LED芯片的结温之间出现温差，LED芯片的结温会高于外壳温度。
由于LED生产技术的进步，大功率LED内部的热阻越来越低。目前，1W的LED的热阻普遍在15℃/W以下，也就是说，给1W的LED加1W的电功率，管芯比管壳的温度只高15℃。按照目前LED管芯材料的耐温水平，管芯温度不超过150℃就能长期安全的工作。这样推算，外壳温度为135℃时可以安全使用。但是，由于外壳封装材料的限制，实际使用中的管壳温度最好不超过70℃，这样管芯温度只有85℃，LED的透明封装材料也不会快速老化，可长期稳定工作。因此，没有必要将LED灯具工作时的温度降得很低，但必须减小LED外壳和灯体外壳之间的热阻，这样就可以以比较小的体积和比较低的成本生产性能稳定的LED灯具。
要有效的散热，减小灯具的体积和生产成本，灯体必须有合理的散热结构。问题是怎样合理的把LED产生的热量传导到外壳上，怎样有效地增大外壳和空气的接触面，并且有利于空气在外壳表面上的流动，这是灯体热结构设计要解决的问题。
目前，LED灯具的散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低，热管和回路热管散热方式成本高。目前，在LED灯具散热设计中存在的问题有：
①散热翅片面积的随意设定，使散热翅片的布置方式不合理，灯具散热翅片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到翅片效果的发挥。
②强调热传导环节、忽视对流散热环节，尽管众多的厂家考虑了各种各样的措施：热管、回路热管、加导热硅脂等，但没有认识到热量最终还是要依靠灯具的外表面来散发。
③忽视传热的均衡性，如果翅片的温度分布严重不均匀，将会导致其中一部分的翅片（温度较低的部分）没有发挥作用或作用有限。(https://www.daowen.com)
现在LED灯具的散热技术，一般多采用导热基板方式，是一片5mm厚的铜板，实际上是均温板，把热源均温掉；也有加装散热片来散热的，但是重量太大。重量在LED灯具设计中也是要重点控制的。
要确保大功率LED的安全使用，保证光源及电源的散热条件，其灯具的尺寸会做得较大，增加了设计难度，相对成本也会提高。现今的LED色温和光通量的局限性在大功率的安全制作及性价比上难以得到推广。要设计高性能的LED灯具，首先要做好灯具的散热，然而散热和灯具的安全防护又是一个矛盾，在设计中应针对这对需要共生的矛盾进行研发。
若利用铝合金型材设计LED灯具散热系统，将一块AA6063、305mm×500mm的平板散热器型材和不锈钢外框组合，将LED粘贴在铝基板上制作成模组，在模组的底部涂抹导热膏用螺丝固定于铝合金型材散热器平板上。此种结构的热传导和散热效果均佳，能将LED所产生的热量迅速的传导到散热器上，再由散热鳍片散发到空气中，由流动的空气带走热量。但是由于整个LED灯具是由多个部分连接组合而成，产品一致性差，防护等级达不到标准要求。更主要的是所有的LED均安装在一个平板上，无法对灯具进行合理的配光，故仍有待进一步研发。LED灯具散热与防护是一个行业性的难题，应在材料选择、结构设计上进行系统的优化设计，才能解决LED灯具散热与产品的防护这一矛盾。
（1）散热材料的选择
目前，LED灯具散热器所采用的基本为金属材料，这主要出于三方面的考虑：
1）导热性能好。相对其他固体材料，金属具有更好的热传导能力。
2）易于加工。延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺。
3）易获取，价格也相对低廉。
LED灯具散热器常用材料与常见金属材料的热传导系数见表3-6。
表3-6 LED灯具散热器常用材料与常见金属材料的热传导系数
注：表3-6中热传导系数的单位为W/mK，即截面积为1m2的柱体沿轴向1m距离的温差为1开尔文（1K＝1℃）时的热传导功率。
热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。热传导系数很高的金、银，由于质地柔软、密度过大及价格过高而无法广泛采用；铁则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制作高性能的散热片。铜的热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件，在散热片中使用较少。铝的热传导系数较高、密度小、价格低而被广泛采用，但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，为此获得许多纯铝所不具备的特性而成为了散热片加工材料的理想选择。
各种铝合金材料根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域。在表3-6中列出的5种不同铝合金中：AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金，但其加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。
（2）采用一体化铝合金压铸散热外壳
根据照明灯具的功能需要及灯具的防护安全等级的规定，将整个灯具分成三部分来设计（灯具散热外壳、光源室、电器室），构成整个灯具的三部分采用AA1070铝合金压铸一次性成型。散热片的散热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热基板和散热片的设计。高性能的散热器，应满足3个要求：吸热快、热阻小、散热快。
1）吸热快。即吸热基板与LED模组间热阻小，可以迅速的吸收其产生的热量。为了达到这种效果，就要求吸热基板与LED模组结合尽量紧密，令金属材料与LED模组直接接触，不留任何空隙。
散热器的整体热阻就是由与LED模组的接触面开始逐层累计而来，吸热基板内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上，还需要吸热基板有较好的横向热传导能力，在设计灯具时首先满足吸热基板有足够的厚度，同时考虑LED模组的安装孔位进行加筋，以加强灯具的整体性和机械强度。
2）热阻小。为了提升吸热能力，希望吸热基板与LED模组紧密结合，不留任何空隙，压铸出来的表面是无法实现的。要想根本上提高吸热基板的吸热能力，就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的，通常吸热基板的底部稍经处理即可达到0.1mm以下，采用铣床或多道拉丝处理可以达到0.03mm。吸热基板越平整热阻越小，越有利于热量吸收，但会增加制造成本。
3）散热快。由于将LED模组的吸热基板和散热鳍片压铸成一体，即能够将从LED模组吸收的热量迅速的传导到鳍片部分，整个灯体和散热鳍片上部是裸露的，但需要散发的热气与气流方向一致，不会因气流而形成涡流而造成热气的滞留，进而由流动的气流带走而散发，以最快的速度将热量散发。
处理汽车前照灯的散热问题的方法有很多种，一种是设置散热器把热量从照明灯具内散出。然而，这会产生另一组问题，包括因为散热材料的使用而导致的成本和重量的增加。解决这一问题的最有效的方法是采用高效率的驱动器（效率>93%）来最大限度地减少LED驱动电路的热耗散。一个50W的汽车远光灯通常可由14个串联的1A的LED组成。由于整个温度范围内每个LED的正向电压降约为4V，因此采用升压拓扑的LED驱动器能够以93%的效率将12V的标称蓄电池电压提升至刚好超过56V。这使得仅需耗散3.5W的功率，对于该功率耗散值，在安装了LED汽车前照灯的印制电路板内布设低等级的铜散热器便可满足要求。
灯珠散热器低温直焊技术（LTS）可彻底解决困扰LED照明领域多年的散热难题。通过该技术可以大幅度提高LED灯具的光效和使用寿命，导热性能将提高10倍以上。
该技术是通过冶金结合方式在铝散热器基板表面键合一定厚度的铜覆盖层，创造性的实现了LED芯片与散热器的低温直焊，彻底解决了系统的散热瓶颈，同时增强了LED芯片点热源热量向散热器翅片横向扩散。而铝铜覆盖层为分子结合不受异种材料热应力及电化学腐蚀的影响。加上LED芯片散热直焊，消除了压接方式界面材料和交界面的热阻，换热性能不衰减，从而彻底解决了导热硅胶老化和导热性能下降的问题。该技术彻底解决了LED灯具的光衰问题，提高了光效和使用寿命，大幅度降低了成本，为LED大面积的推广带来了可能。
6.电气系统选项
（1）驱动IC选择
LED在应用中需要选择合适的驱动IC，这也是设计LED驱动电路的第一步。首先确定以下几个参数：需要驱动多少只LED、预计驱动的电流值、允许的供电电压范围、其他特殊要求。
按需要驱动的LED数量定义串并接方式，因其LED的VF值问题，在小功率20mA以下要求不是很高的情况下并联是可以接受的。大于100mA的LED不建议并联设计。串接LED的VF值总和是选择IC需要驱动的负载电压，负载电压应是在一定的范围内，主要是应对LED不同的VF值带来的负载电压不同。
在选择并联方式时，应选择图3-76所示的并联方式的LED连接拓扑。电路需要串接电阻时，最好将电阻变为若干个小阻值的电阻串接在LED中间。在中间电路同电位处多短接几次，会起到平衡每路电流的作用，减少LED的VF值的影响。
图3-76 并联方式的LED连接拓扑
预计驱动电流是选择驱动IC的重要条件之一，在选择时要给IC预留一定的余量，特别是内置MOSFET的IC，一般选择在最大驱动的70%左右。结合驱动压差、电流、效率，计算出IC最大功耗，查表找到即将使用的IC封装可以承受的热量，多出的功耗就要靠设计散热器完成。一般IC只能适应一定的电压范围，在一定的电压范围变化时会影响到LED的负载电流，这是目前LED驱动IC设计的通病，仍有待进一步提高。
输入电压结合输出LED驱动电压值，确定驱动电路是降压、升降压还是升压驱动方式。要仔细了解IC是否支持上述工作方式。特殊要求一般指：工作效率、工作频率、封装等问题。工作效率是有条件的，规格书中给出的一般是在最好的情况下，在受限情况下是没有这么高，而工作频率应不干扰其他设备正常工作。
（2）电感选择
在设计LED恒流源时为保持严格的滞环电流控制，电感必须足够大，保证在HO、ON期间能向负载供应能量，避免负载电流显著下降，导致平均电流跌到期望值以下。图3-77所示为不同电感值下的频率响应，从图3-77中可以看出输入电压对频率的影响很大，电感值在输入低电压时对频率也有很大的影响。
图3-77 不同电感值下的频率响应
图3-78所示为电感减小时输入电压与负载电流的关系曲线。图3-79给出了频率根据不同的输出电压和不同的电感值的变化曲线。图3-80所示为电感减小时输出电压与负载电流的关系曲线。为此选择电感时应考虑以下要素：
图3-78 电感减小时输入电压与负载电流的关系曲线
图3-79 频率根据不同的输出电压和不同的电感值的变化曲线
图3-80 电感减小时输出电压与负载电流的关系曲线
1）选择电感值主要需要考虑的条件是电路工作在合适的频率范围，合适的开关频率可减少MOS管开关次数，减少MOS管的发热量，并可避免与同PCB电路同频干扰。
2）选择合适的电感内阻，内阻是电感发热的主要因数，从而可提高电路效率。
3）选择合适的电流值，有时体积和成本是主要的制约因数，但是还是要选择大于峰值电流的2倍（通常在65%），就算在板级空间十分珍贵的情况下也要保证30%预留空间余量，这样可以有效地减小内阻，减小发热量。应用中采用相对较大体积的电感器可以获得3%～4%的效率提升。
4）为了获得最佳的效率，应选用铁氧体磁芯电感器。应选择一个能够在不引起饱和的情况下处理必须的峰值电流的电感器，并确保该电感铜线低的DCR（铜线电阻），以便减小I2R功耗。因电感铜线绝缘层耐不了160℃或长时间的高温，设计中要仔细了解电感供应商提供的产品的温度工作范围。
（3）EMC电感选择
EMC电感用在输入和输出端可减少传导干扰，设计中应选择铁粉磁心而非铁氧体的电感器，因铁粉磁心电感器在饱和前可以处理更大的电流，并需要依据负载选择合适的电流值。
（4）输出电容器件的选择
输出端可使用输出电容以达到目标频率和电流的精确控制，电容能在整个输入电压范围内减小频率，一个小的4.7μF的电容就能显著减小频率。电流的调整也能因为电容值的增加而得到改善。频率与输入电压计输出电容的关系曲线如图3-81所示。从图3-81中可以看到存在一个拐点，再增加电容值对工作频率和输出电流的调整影响不大。
图3-81 频率与输入电压计输出电容的关系曲线
增加输出电容（COUT）从本质上来说是增加了输出级所能储存的能量，也就意味着能供应电流的时间加长。因此通过减慢负载的di/dt瞬变，频率显著减小，有了输出电容（COUT）之后，电感的电流将不再和负载上的电流保持一致，电感电流仍将是完美的三角形的形状。负载电流有相同的趋势，只不过所有尖锐的拐角都变得圆滑，所有的峰值都明显减小。
在设计中应采用低ESR（等效串联电阻）陶瓷电容器，以最大限度地减小输出波纹。采用X5R或X7R型材料电介质，与其他电介质相比，这些材料能在较宽的电压和温度范围内维持其容量不变。对于大多数高的电流设计，采用一个4.7～10μF输出电容，具有较低输出电流的变换器只需要采用一个1～2.2μF的输出电容器。
（5）输入电容器的选择
一般在驱动IC输入段设置电容主要是为了解决电路开关频率对供电部分的EMI问题，如果采用电解电容提供了附加的旁路或输入电源阻抗很低，则采用较小的价格低的Y5V电容器也会有很好的效果。一般恒流器件会有非常快的上升和下降时间的脉冲从输入电源吸收电流。输入电容器可减小输入端的合成电压纹波，并强制该开关电流进入一个严密的本系统环路，从而最大限度的减低EMI。输入电容在开关频率条件下必须具有低阻抗，以高效地完成这项工作，而且它必须能承受一定的纹波电流（通常纹波电流不会大于负载电流的1/2倍）。
因陶瓷电容器具有小尺寸和低阻抗（低的等效串联电阻或ESR）特征而成为优选方案，低的ESR产生了非常低的电压纹波，与数值相同的其他电容器类型相比，陶瓷电容器能够处理更大的波纹电流。应选用X5R或X7R型陶瓷电容器。也可以选用参考值多于1/3容值的电解电容器代替，但是体积和寿命等因数并不是很适合与LED匹配。钽电容会因浪涌电流过大而出现故障，不应在此使用。
（6）肖特基二极管的选择
通常开关转换型LED恒流驱动IC在MOS管关断期间传导电流，所选择二极管反向耐压要针对电路最高输出电压脉冲值来确定，要大于这个值。二极管的正向电流不必与开关电流限值相等。流经二极管的平均电流是IF、开关占空比的一个函数，因此应选择一个正向电流IF=I(1−D)的二极管。通常二极管在功率开关断开时传导电流占空比小于50%，选择电流值与驱动电流相等即可。
升压型变换器中的输出二极管在开关管关断期间流过电流，二极管要承受反向电压等于变换器输出电压。正常的工作电流等于负载电流，峰值电流等于电感峰值电流。
Id(二极管电流)=IL(电感电流)=(1+X/2)Iout（max）/1−Dmax （3-30）
二极管消耗功率为
Pd=Iout(max)Vd （3-31）
保持较短的二极管引线长度并遵循正确的开关节点布局，以免振铃过大和功耗增大。耐压不是越高越好，是要合适，高耐压肖特基二极管的VF值也会高些，功耗会大，价格也高。
（7）MOSFET的选择
因NMOS的导通电阻小、符合LED驱动设计要求，因而应用较为广泛。所以在开关电源和LED恒流驱动的应用中，一般都用NMOS。功率MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功耗小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。功率MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定。
MOS管的3个管脚之间有寄生电容存在，寄生电容是设计或选择驱动电路时必须考虑的要素。MOS管是电压驱动器件，基本不需要激励级获取能量，但是功率MOSFET和双极型晶体管不同，它的栅极电容比较大，在导通之前要先对该电容充电，当电容电压超过阈值电压（VGS-TH）时MOSFET才开始导通。因此，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容（CEI）的充电。
MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，设计中虽然无法降低Cin的值，但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度，而对于内置MOSFET的IC在设计中不用考虑。为了获得更大、更灵活的LED功率能力，外置MOSFET是唯一的选择方式，对此IC需要合适的驱动能力，MOSFET输入电容也是关键的参数。MOSFET的等效结电容如图3-82所示，在图3-82中Cgd和Cgs是MOSFET等效结电容。
一般IC的PWMOUT输出内部集成了限流电阻，具体数值大小同IC的峰值驱动输出能力有关，可以近似认为R=Vcc/Ipeak。一般结合IC驱动能力，Rg选择在10～20Ω之间。
在一般的应用中，IC的驱动可以直接驱动MOSFET，但是考虑到通常驱动走线不是直线，电感量可能会更大，并且为了防止外部干扰，还是要使用Rg驱动电阻进行抑制。考虑到走线分布电容的影响，这个电阻要尽量靠近MOSFET的栅极，MOSFET的栅极驱动电阻连接图如图3-83所示。
图3-82 MOSFET的等效结电容
图3-83 MOSFET的栅极驱动电阻连接图
以上讨论的是MOSFET在ON状态时Rg电阻的选择，MOSFET在OFF状态时为了保证栅极电荷快速泻放，此时阻值要尽量小。通常为了保证快速泻放，在Rg上可以并联一个二极管。当泻放电阻过小，由于走线电感的原因也会引起谐振（因此有些应用中也会在这个二极管上串一个小电阻），但是由于二极管在反向时不导通，此时Rg又参与反向谐振回路，因此可以抑制反向谐振的尖峰。这个二极管通常使用高频小信号二极管1N4148。
不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOSFET会减小导通损耗。现在的小功率MOSFET导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。
MOSFET在导通和截止的时候不是在瞬间完成的，MOSFET两端的电压有一个下降过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOSFET的损耗是电压和电流的乘积，叫做开关损耗。通常开关损耗比导通损耗大得多，而且开关频率越快，损失也越大。在LED恒流源设计中要注意频率的选择，降低损耗但也要兼顾杂声的出现。
导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损耗也就很大，缩短开关时间，可以减小每次导通时的损耗；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损耗。
在设计中需要注意MOSFET对瞬间短路电流的承受能力，对于高频SMPS尤其如此。瞬间短路电流的产生通常是由于驱动电平脉冲的上升或下降过程太长，或者传输延时过大，瞬间短路电流会显着降低效率也是MOSFET发热的原因之一。
一般来说，即使源极、漏极电压超过绝对的最大额定值，功率MOSFET也很少发生击穿。功率MOSFET的击穿电压（VDSS）具备正向的温度系数。因此，温度越高，击穿器件所需的电压越高。在许多情况下，功率MOSFET工作时的环境温度超过25℃，其结区温度会因能量耗散而升至高于环境温度。
当击穿真正发生时，漏极电流会增大，而击穿电压甚至比实际值还要高。在实际应用中，真正的击穿电压会是额定低电流击穿电压值的1.3倍。
尽管非正常的过电压尖峰不会导致器件击穿，但为了确保器件的可靠性，功率MOSFET的结区温度应当保持在规定的最大结区温度以下。器件的稳态结区温度可表达为
TJ=PDRJC+TC （3-32）
式中，TJ为结区温度；TC为管壳温度；PD为结区能耗；RJC为稳态下结区至管壳的热阻。
不过在很多应用中，功率MOSFET中的能量是以脉冲方式耗散，而不是直流方式。当功率脉冲施加于器件上时，结区温度峰值会随峰值功率和脉冲宽度而变化。在某指定时刻的热阻叫做瞬态热阻，并由下式表达：
ZJC(t)=rtRJC （3-33）
式中，rt与热容量相关，是随时间变化的因子，对于很窄的脉冲，rt非常小；但对于很宽的脉冲，rt接近1，而瞬态热阻接近稳态热阻。
有时输入电压并不是一个固定值，它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOSFET的驱动电压是不稳定的。为了让MOSFET在高栅压下安全，很多MOSFET内置了稳压管强行限制栅压的幅值。在这种情况下，当提供的驱动电压超过稳压管的电压，就会引起较大的静态功耗。同时，如果简单地用电阻分压的原理降低栅极电压，就会出现输入电压比较高时MOS管工作良好，而在输入电压降低时栅压不足，引起导通不够彻底，从而增加功耗。
MOSFET导通时需要栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。4V或10V是常用的MOSFET的导通电压，设计时需要合理选择。合适的栅极电压会使得导通时间快，导通电阻小。目前，市场上也有低电压驱动的MOSFET，但耐压都较低，可以选择用在串接要求不是很高的场合。
（8）PCB布线设计指南
细致的PCB布线对获得低开关损耗和稳定的工作状态至关重要，尽可能地使用多层板以便更好地抑制噪声干扰。大电流地回路、输入旁路电容地线和输出电容地线采用单点连接（星形接地方式），可进一步降低接地噪声。正常工作状态下一般有两个大电流回路：一个是MOSFET导通回路，由IN→电感→LED→MOSFET→检测电阻→GND；另一个是电感→LED→续流二极管。为了降低噪声干扰，每个回路的面积应尽可能的小。
当散热条件超出所选用IC封装允许的范围时，需要设计外加散热器。超出的热量不多，可以在设计PCB时加宽管脚铜箔，延伸散热，IC的管脚散热是有效的。娇小型封装IC的很多散热器在底部，贴片后靠铜箔散热，铜箔为了更好地散热可以将绿油层除掉，有效的过孔可将热量传导到PCB背面散热。在散热量较大时，可以选择铝基板设计，在密封的环境下显得非常重要。铝基板可以直接贴装到产品外壳上面，会有很好的散热效果。