利用降壓結構實(shí)現LED驅動(dòng)

基于降壓的結構可以與很多環(huán)路控制結構很好的匹配，而且不用考慮穩定性的限制，滯回控制適合在開(kāi)關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應用。這種特性剛好滿(mǎn)足LED對電源的要求。

隨著(zhù)LED的廣泛應用，在很多地方線(xiàn)性電源這種簡(jiǎn)單的結構已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。一般情況下，當用電阻的方式設定LED所需的正向電流的時(shí)候，這種簡(jiǎn)單的驅動(dòng)方式可以連續的由電源向負載提供能量。

由于LED的電流與電阻上的相同，所以電阻上產(chǎn)生的功耗會(huì )隨輸入電壓的增加而增加。例如，一個(gè)用線(xiàn)性電源驅動(dòng)的LED，效率為70%，用5V線(xiàn)性電源提供1A電流給一個(gè)典型的白光InGaNLED(VF=3.5V)。在相同的工作條件下，當輸入電壓上升到12V時(shí)，它的效率將會(huì )降到30%。在如此低效率的情況下是無(wú)法應用的。

開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源改善了由于輸入變化使得效率變化比較大的問(wèn)題。這種方式是通過(guò)控制占空比的方式來(lái)滿(mǎn)足輸出所需要的電壓或電流。由于開(kāi)關(guān)電源會(huì )產(chǎn)生脈沖式的電壓和電流，所以這就需要用一些儲能器件(電感或電容)對這些脈沖波形進(jìn)行整形。

和線(xiàn)性電源相反，開(kāi)關(guān)電源可以通過(guò)不同的設置來(lái)實(shí)現電流或電壓的降、升或者同時(shí)升降的功能。開(kāi)關(guān)電源同樣可以在寬的輸入或輸出范圍下實(shí)現高效率。在前面的例子中，用一個(gè)降壓型的開(kāi)關(guān)電源取代線(xiàn)性電源后，當輸入電壓由5V變到12V后，電路的效率由95%變到98%。

開(kāi)關(guān)電源在效率和結構的靈活性上得到了很大的提升，但由于周期性的開(kāi)關(guān)造成了噪聲的增加，同時(shí)由于結構的復雜使得電路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED電路可以被簡(jiǎn)單的認為是一個(gè)恒流源。拓撲結構的選擇應該考慮最少的外部原件和最好的性能為標準，這樣可以提高電路的穩定性和減少成本。

鑒于LED的動(dòng)態(tài)調光特性好，在設計的時(shí)候要考慮使這種特性能夠方便應用。幸運的是，基本降壓開(kāi)關(guān)電路在實(shí)現這些特性的時(shí)候表現的非常好，所以L(fǎng)ED驅動(dòng)一般選擇降壓型開(kāi)關(guān)電源。

恒流輸出級

圖1a：基本降壓型電壓調整器。

開(kāi)關(guān)調整器最常用的是電壓調整器。圖1a為一種基本恒壓型降壓調整器。降壓控制器可以在輸入電壓變化的情況下，通過(guò)控制占空比或頻率的變化使輸出電壓保持恒定。輸出所需的電壓由下面的公式計算得到(Eq.1)

電感L用來(lái)設置電感電流紋波的峰-峰值ΔIpp的大小，電容Co用來(lái)設置輸出電壓紋波和輸出電壓的負載瞬態(tài)響應。在這種降壓型逆變器中電感的平均電流等于負載電流，因此我們可以通過(guò)控制電感電流紋波的峰-峰值來(lái)控制負載電流。這樣可以使電壓源控制的方式轉換成電流源控制的方式。

圖1b：基本電流型降壓調整器。

圖1b為一種基本電流型降壓調整器。與恒壓型相似，恒流型降壓調整器可以在輸入電壓變化的情況下，通過(guò)控制占空比或頻率的變化使輸出電流IF保持恒定。輸出所需的電流由下面的公式計算得到(Eq.2)：

在我們設定好LED電流IF之后，我們必須準確的檢測電感上的電流。從理論上來(lái)說(shuō)，檢測電感電流有很多方式，例如利用MOSFET的導通阻抗Rdson檢測或者用電感的直流電阻檢測。但是實(shí)際上這些檢測方式在精度上不能滿(mǎn)足LED電流設置的要求(高亮度LED的精度為5%-15%)。

如果直接用電阻RFB來(lái)檢測IF，這樣在精度上就可以滿(mǎn)足要求，但是在電阻上將會(huì )產(chǎn)生額外的功耗。降低反饋電壓VFB，在同樣的檢測電流IF(圖.2)的情況下可以降低檢測電阻的阻值，這樣就可以使功耗降到最低。最新的LED驅動(dòng)大多數提供的參考電壓(反饋電壓)在50-200毫伏之間。

恒流降壓調整器獨特之處在于輸出可以不需要電容。因為有連續的輸出電流和不存在負載瞬態(tài)變化，這個(gè)調整器中輸出電容的作用只是局限于電流濾波器。當我們設置成沒(méi)有電容的恒流型降壓調整器時(shí)，此時(shí)輸出阻抗將大幅增加，而對于升壓型來(lái)說(shuō)，由于輸出阻抗增加，為了滿(mǎn)足輸出電流恒定，輸出電壓也將會(huì )大幅增加。

結果調光的速度和調光的范圍都有了顯著(zhù)的提高。在應用過(guò)程中，從背光和機器視覺(jué)角度來(lái)說(shuō)調光的范圍是一種非常有價(jià)值的特性。

在另一方面，由于輸出電容不足，AC電流的紋波電路需要比較大的電感，以滿(mǎn)足LED紋波的要求(正向電流ΔIF=±5到20%)。在同樣的電流紋波時(shí)，大電感會(huì )增加面積和LED驅動(dòng)的成本。因此在恒流降壓電路中，輸出電容的使用要在成本、面積和調光的速度、范圍之間經(jīng)行權衡。

例如，用紋波電流驅動(dòng)一個(gè)1A的白光LED(VF≈3.5V)，ΔIF需要滿(mǎn)足±5%范圍內，輸入電壓12V，頻率為500kHz，在電感電流幅度為1.1A時(shí)，只能允許使用50mH的電感。然而如果電感的紋波電流允許增加±30%，那么電感將會(huì )小于10mH。

如果10mH和50mH電感在使用相同的材料和相同的額定電流的情況下，在成本和體積方面，10mH大概只是50mH的一半。為了用10mH電感實(shí)現需求的ΔIF(±5%)，輸出電容需要根據LED的動(dòng)態(tài)電阻rD和檢測電阻RFB和在此開(kāi)關(guān)頻率下電容的阻抗來(lái)計算，可以利用下面的表達式(Eq.3)

環(huán)路控制結構

基于降壓的結構可以與很多環(huán)路控制結構很好的匹配，而且不用考慮穩定性的限制，例如右半平面零點(diǎn)問(wèn)題。除了和其他調光方法兼容以外，這種降壓結構使得PWM調光變得容易?；谶@種結構的LED驅動(dòng)可以使系統設計人員提供更多的選擇。滯回控制非常適合在開(kāi)關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應用，例如燈泡和交通燈。