高效率LED驅動(dòng)電源設計

LED擁有高可靠性、良好效率和超快響應速度，所以很適合作為照明光源。雖然白熾燈泡的成本很低，更換費用卻可能很昂貴。街燈就是很好的例子，更換一個(gè)故障燈泡往往需要出動(dòng)多位人員和一輛卡車(chē)。也因為如此，盡管LED和白熾燈泡的效率大致相等，許多街燈卻采用可靠性更高且更省電的LED。

白熾燈雖能發(fā)出連續光譜，卻常用于交通號志等只需綠光、紅光和黃光的場(chǎng)合。這類(lèi)應用須在白熾燈外加裝一個(gè)特定顏色的濾片，但它會(huì )造成六成的光能浪費。LED則能產(chǎn)生特定顏色的光，而且只要接通電源即可立即發(fā)亮，不像白熾燈需要200ms的反應時(shí)間，因此汽車(chē)產(chǎn)業(yè)早就將LED用于車(chē)燈。另外，DLP視訊應用也以L(fǎng)ED作為光源，利用高速開(kāi)關(guān)的LED取代原有機械組件。

LED的I-V特性
圖1是典型InGaAlP LED的正向電壓特性。LED電路模型可表示為一個(gè)電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻，這個(gè)簡(jiǎn)單模型與實(shí)際測量結果很吻合。電壓源為負溫度系數，因此正向電壓會(huì )隨著(zhù)接面溫度升高而下降。InGaAlP LED(黃色與琥珀紅)的溫度系數在-3.0～-5.2mV/K之間，InGaN LED(藍、綠和白色)則介于-3.6～-5.2mV/K之間。負溫度系數是造成LED很難并聯(lián)的原因之一，因為越熱的組件會(huì )汲取越多的電流，越多的電流又會(huì )讓它的溫度進(jìn)一步升高，最后就變成熱失控。

圖1 以電壓源和串聯(lián)電阻作為L(cháng)ED電路模型后得到的I-V特性曲線(xiàn)

圖2是輸出光強度(光通量)與操作電流的關(guān)系，可以看出輸出光強度與二極管電流的關(guān)系很密切，只要改變正向電流就能調整LED的亮度。另外，這條曲線(xiàn)在電流較小時(shí)很像是一條直線(xiàn)，但其斜率在電流升高時(shí)會(huì )變得較小。這表示當電流較小時(shí)，只要二極管電流加倍就會(huì )讓輸出光強度加倍。電流較大時(shí)則非如此，此時(shí)電流加倍只會(huì )讓輸出光強度提高八成。這項特性對LED很重要，因為它是由交換式電源所驅動(dòng)，所以可能會(huì )遇到很大的紋波電流。其實(shí)電源供應的成本在某種程度上就是由所允許的電流決定：紋波電流越大，電源供應的成本就越低，只不過(guò)LED的輸出光強度也會(huì )受到影響。

圖2 LED效率在電流超過(guò)1A后開(kāi)始下降

圖3是把三角紋波電流加到直流輸出電流后，輸出光強度減少的情形。由于紋波電流的頻率在多數情形下都遠超過(guò)人眼所能分辨的80Hz，再加上人眼對光強度的反應又呈現指數關(guān)系，只要光強度減少不超過(guò)20%就不會(huì )被發(fā)現，因此就算LED電流的紋波很大，光強度也不會(huì )明顯減弱。

圖3 紋波電流造成LED輸出光強度略為下降

紋波電流還會(huì )增加LED耗電量，造成接面溫度上升，并對LED的使用壽命產(chǎn)生很大影響。圖4顯示LED輸出光強度與時(shí)間及接面溫度的關(guān)系。我們設定80%的輸出光強度為L(cháng)ED的使用壽命，則從圖4中可看出，當溫度從74℃降至63℃時(shí)，LED使用壽命會(huì )從10 000小時(shí)增加為25 000小時(shí)。

圖4 接面溫度升高會(huì )縮短LED的使用壽命

圖5是紋波電流造成LED功耗增加的情形。由于紋波頻率比LED的熱時(shí)間常數高，因此就算紋波電流很大 (以及峰值功耗很大)也不會(huì )影響峰值接面溫度——這個(gè)溫度主要是由平均功耗決定。LED的大部份電壓降就像是一個(gè)電壓源，所以電流波形不會(huì )對功耗造成影響。然而電壓降中仍會(huì )有某些電阻分量，這部份的功耗等于電阻值乘以均方根電流的平方。

圖5 紋波電流導致LED耗電增加

從圖5還能發(fā)現就算紋波電流很高，也不會(huì )對LED功耗造成太大影響。舉例來(lái)說(shuō)，當紋波電流達到輸出電流的一半時(shí)，耗電量只會(huì )增加不到5%。但若紋波電流遠遠超出這個(gè)水平，設計人員就必須減少電源提供的直流電流，避免接面溫度升高而影響組件壽命。一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗法則是：接面溫度每降低10℃，半導體組件壽命就會(huì )延長(cháng)一倍。另外，多數設計由于受到電感的限制，都會(huì )盡量降低紋波電流，因為大部分電感只能應付20%以下的Ipk/Iout紋波電流比。

典型應用
LED電流常由安定電阻或線(xiàn)性穩壓器控制，但本文主要討論交換式穩壓器。LED驅動(dòng)架構基本上可分為降壓、升壓和升降壓等三種類(lèi)型，實(shí)際架構則應由輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系決定。

如果輸出電壓永遠低于輸入電壓，則可采用圖6所示的降壓穩壓器。在此電路里，輸出濾波電感L1的平均電壓是由功率開(kāi)關(guān)的負載周期所控制。TPS5430內含的FET開(kāi)關(guān)導通時(shí)會(huì )將輸入電壓連接到電感L1并產(chǎn)生電流，逆向電壓保護二極管D2則會(huì )在開(kāi)關(guān)截止時(shí)提供另一條電流路徑。L1電感可以穩定LED電流，因為電路會(huì )透過(guò)電阻監控LED電流，然后比較電阻電壓與控制組件內部的參考電壓以判斷電流大?。喝绻娏魈?，就增加功率開(kāi)關(guān)的負載周期來(lái)提高L1電感的平均電壓，以便讓LED電流升高。這個(gè)電路的工作效率很高，因為功率開(kāi)關(guān)、逆向電壓保護二極管和電流感測電阻的電壓降都很小。

圖6 降壓式LED驅動(dòng)器會(huì )將輸入電壓轉換為較低電壓

如果輸出電壓永遠大于輸入電壓，圖7所示的升壓轉換架構就是最佳選擇。這個(gè)設計除了控制電路外，同樣會(huì )使用內含功率開(kāi)關(guān)的組件U1。功率開(kāi)關(guān)導通時(shí)，電流會(huì )通過(guò)電感到地。開(kāi)關(guān)截止時(shí)，U1接腳1的電壓會(huì )上升直到D1導通，電感也會(huì )經(jīng)由輸出電容C3和多個(gè)串聯(lián)的LED開(kāi)始放電。多數應用會(huì )利用C3穩定LED電流，若沒(méi)有該電容，LED電流會(huì )變成在零與電感電流之間交替切換的不連續電流，不僅會(huì )降低LED的亮度，還會(huì )產(chǎn)生更多熱量而縮短LED壽命。此電路也和前面一樣利用電阻感測LED電流，再根據結果調整負載周期。注意，此架構很大的缺點(diǎn)是沒(méi)有提供短路保護，輸出端短路會(huì )造成龐大電流通過(guò)電感與二極管，將導致電路故障或輸入電壓大幅下降。

圖7 整合式升壓LED驅動(dòng)器將輸入電壓轉換為高電壓

如果輸入電壓的變動(dòng)范圍很大，有時(shí)高于輸出電壓，有時(shí)又低于輸出電壓，那么單純的降壓或升壓架構就不適用。除此之外，升壓應用還可能需要短路保護功能。在此狀況下，設計人員應采用圖8所示的升降壓架構。這個(gè)電路與升壓轉換架構很類(lèi)似，會(huì )在功率開(kāi)關(guān)導通時(shí)建立電感電流，等到功率開(kāi)關(guān)停止導通，電感電流就會(huì )通過(guò)輸出電容和LED。這種設計與升壓轉換架構的區別在于輸出電壓不是正值，而是負電壓。此架構還能在輸出短路時(shí)將開(kāi)關(guān)Q1切斷，所以可以避免升壓架構發(fā)生的短路問(wèn)題。此電路的另一特點(diǎn)是盡管輸出為負電壓，感測電路卻不需執行電壓位準轉換——因為控制組件的地線(xiàn)連接到負輸出端，并直接測量感測電阻R100兩端的電壓。圖8中雖然只有1個(gè)LED，實(shí)際應用卻可串聯(lián)多顆。另外要注意的是，輸入電壓與輸出電壓的總和不能超過(guò)控制組件的最大電壓額定值。

圖8 升降壓架構支持很大的輸入電壓范圍

控制回路設計
LED電源供應的電流回路設計要比傳統電源供應的電壓回路簡(jiǎn)單。電流回路的復雜性是由輸出濾波架構決定的。圖9就是三種常見(jiàn)架構，分別是單純的電感濾波器(A)、典型的電源供應濾波器(B)和改良型濾波器設計(C)。

圖9 三種不同的輸出濾波架構

為每個(gè)功率級電路建立簡(jiǎn)單的P-Spice模型，以說(shuō)明其控制特性的個(gè)別差異。其中降壓轉換功率FET與二極管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由一個(gè)10倍增益的壓控電壓源代表，LED由一個(gè)3Ω電阻串聯(lián)6V電壓源代表，LED與接地之間還有一個(gè)1Ω的電流感測電阻。模擬結果如圖10所示。

圖10 三種濾波器架構的增益與相位圖

電路A是相當穩定的一階系統響應，其中，直流增益是由壓控電壓源、LED阻抗所構成的分壓器以及電流感測電阻所決定，系統極點(diǎn)則由輸出電感與電路阻抗決定。補償電路設計也很簡(jiǎn)單，只要使用乙類(lèi)放大器即可。

電路B由于包含輸出電容，所以會(huì )有二階響應。增加輸出電容是因為某些應用在電磁干擾或散熱因素的考慮下，不能容忍LED出現太大的紋波電流，因此需要輸出電容來(lái)消除紋波電流。這個(gè)電路的直流增益與前面的電路相同，但它會(huì )在輸出電感和電容所決定的頻率點(diǎn)上產(chǎn)生一對復數極點(diǎn)。由于濾波電路的總相位移為180°，因此補償電路設計必須謹慎以免系統不穩定。補償電路設計與采用丙類(lèi)放大器的傳統電壓模式電源供應很類(lèi)似，但比電路A多出兩顆零件和輸出電容。

電路C則會(huì )重新安排輸出電容的位置，使電路補償更容易。LED兩端的紋波電壓與電路B很類(lèi)似，只不過(guò)電感紋波電流會(huì )通過(guò)電流感測電阻R105，這在計算功耗時(shí)必須考慮。此電路的補償設計幾乎和電路A同樣簡(jiǎn)單，直流增益也與前面兩種電路相同。電路共有1個(gè)零點(diǎn)和2個(gè)極點(diǎn)，零點(diǎn)由電容和LED串聯(lián)電阻產(chǎn)生。第一個(gè)極點(diǎn)由輸出電容和電流感測電阻決定，第二個(gè)極點(diǎn)由電流感測電阻和輸出電感決定。當頻率很高時(shí)，此電路的響應與電路A相同。

調光
許多應用都需要LED調光功能，像是顯示器亮度控制和建筑照明調整。LED調光方式有兩種，一種是減少LED電流，另一種是讓LED快速導通和截止。由于輸出光強度不全與電流成正比，LED光譜在電流低于額定值時(shí)還常會(huì )移動(dòng)，所以減少LED電流不是很有效率的做法。另外，人類(lèi)的亮度感受還與光強度成指數關(guān)系，需大幅改變電流才能達到調光效果，這對電路設計造成很大影響，例如，電路容差(circuit tolerance)就能讓3%的滿(mǎn)負載電流誤差在10%負載時(shí)增為30%以上。

電流波形脈沖寬度調變(PWM)雖然提供更精確的亮度調整，但響應速度要特別注意，如照明和顯示器應用就必須讓PWM速度超過(guò)100Hz，否則看起來(lái)會(huì )有閃爍的感覺(jué)。假設PWM頻率為100Hz，那么10%的脈沖寬度就已進(jìn)入毫秒范圍，是故電源供應必須提供10kHz以上的帶寬。圖9中的A和C簡(jiǎn)單回路都能輕易達到此要求。圖11是包含PWM調光功能的降壓轉換功率級電路，會(huì )不停接通和切斷LED與電路的聯(lián)機。這種架構讓控制回路永遠處于工作狀態(tài)，故能提供非?？焖俚乃矔r(shí)響應 (見(jiàn)圖12)。

圖11 利用Q1對LED電流進(jìn)行脈沖寬度調變

圖12 PWM技術(shù)提供1μs以?xún)鹊腖ED切換速度

結語(yǔ)

盡管LED應用日益流行，仍有許多電源管理問(wèn)題需要解決。例如，LED在注重可靠性與安全性的汽車(chē)市場(chǎng)的應用雖已大幅成長(cháng)，但汽車(chē)電路系統的電源環(huán)境其實(shí)相當嚴苛，所以保護電路設計必須能夠承受60V以上的電壓突降。