白光LED驅動(dòng)分析與應用

2 各種驅動(dòng)器優(yōu)缺點(diǎn)比較
對于LED驅動(dòng)方式而言，每種LED驅動(dòng)都有它的適用范圍，也有它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，搞清楚各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以更好地根據實(shí)際情況，設計合理的LED驅動(dòng)電路，這可以通過(guò)效率、工作電壓、噪聲干擾、輸出調節、反應速度以及安裝尺寸和成本來(lái)進(jìn)行比較分析。
2．1 整體效率
線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器的整體效率是比較低的，主要是由于線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器是依靠功率管分去多余的電壓來(lái)達到穩壓效果，而這部分功耗是完全無(wú)用的，導致了驅動(dòng)器效率的下降。所以使用線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器時(shí)，應盡量減少輸入與輸出電壓差，其實(shí)際轉換效率通常在50％～95％之間；由于基本電荷泵其只能倍數提供輸出電壓，其輸出電壓不能穩定在某個(gè)值上，所以通常在電荷泵電路外部連接額外的LDO，轉換成穩壓電荷泵，這樣導致了電荷泵式驅動(dòng)器效率在本身功率鞘耗的基礎上，額外增加的LDO驅動(dòng)器的功率消耗，效率通常在70％～85％；電感開(kāi)關(guān)式驅動(dòng)器以及基本電荷泵驅動(dòng)器的損耗主要來(lái)自?xún)炔縈OS器件靜態(tài)電流損耗、外部電容以及采樣電阻的功率損耗，其效率可達80％～90％。
2．2 工作電壓
線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器由于分壓工作原理，只能進(jìn)行降壓輸出，這就決定了它只能工作的輸入電壓高于LED驅動(dòng)需求電壓的情況下工作；電荷泵驅動(dòng)器，可進(jìn)行降壓或者升壓，但如果需要進(jìn)行高倍數或多模式調節輸出電壓，則需連接大量的開(kāi)關(guān)和電容，使得效率大幅降低，所以一般應用于過(guò)度電壓驅動(dòng)，即輸入電壓與輸出LED驅動(dòng)電壓差別不大的情況；電感式開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器由于利用了磁場(chǎng)儲能，不論是升壓、降壓還是兩者同時(shí)進(jìn)行，只需調整采樣電阻的比例，就可以進(jìn)行大范圍的輸出電壓調整，且不會(huì )因輸出調整改變驅動(dòng)器效率，所以其應用范圍最廣，可廣泛運用于各種輸入電壓之下。
2．3 噪聲干擾(EMI)
線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器由于其工作原理是采取分壓方式穩定輸出電壓，本身工作不需要電容或電感進(jìn)行穩壓操作，MOS管也始終工作在線(xiàn)性狀態(tài)下，不需要進(jìn)行關(guān)斷或開(kāi)啟操作，所以本身不會(huì )產(chǎn)生噪聲電壓、電流和電磁干擾；電荷泵由于不采用電感，所以其EMI影響基本可以忽略，在輸出電壓過(guò)程中，MOS管需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，所以會(huì )產(chǎn)生一定的電源噪聲，但由于沒(méi)有使用電感，所以噪聲較小，可以通過(guò)外接一很小的電容消除；電感式開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器是電源噪聲和EMI的主要來(lái)源，由于MOS管的頻繁開(kāi)關(guān)操作，PWM會(huì )在MOS管開(kāi)關(guān)的固定頻率內產(chǎn)生大的EMI干擾，PFM更是在其頻率的可變范圍內產(chǎn)生干擾，所以供應商通常需要采取提高電感式開(kāi)關(guān)工作頻率的方法，使其EMI落在系統頻帶之外，另外由于電感的原因，MOS管通斷瞬間會(huì )產(chǎn)生較大的尖峰電流或電壓，輸出電流和電壓也存在相位差。
2．4 輸出調節及響應速度
線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器可以根據產(chǎn)品的需要，通過(guò)調整外部采樣電阻的比例，調整MOS管的分壓，對輸出電壓進(jìn)行控制，而且其電路簡(jiǎn)單，響應速度很快；電荷泵驅動(dòng)器本身不可隨意調整輸出電壓的數值，只能通過(guò)采樣電壓反饋進(jìn)行倍數調節，通過(guò)串接LDO也可進(jìn)行電壓調節，但這樣也會(huì )降低驅動(dòng)器的響應速度，響應速度較LDO慢，電荷泵對輸出電壓調節的優(yōu)勢在于它可通過(guò)簡(jiǎn)單設計，進(jìn)行正負兩種電壓的輸出，面其他兩種驅動(dòng)方式則需要另外的設計電路才能達到輸出負值電壓的效果；電感式開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器，對輸出電壓的調節也只需調節采樣電阻的比例，改變控制方波占空比，來(lái)調整輸出電壓，調整比較簡(jiǎn)便，但由于電路結構復雜，需進(jìn)行多次比較放大，電感的存在也進(jìn)一步減慢了電壓調整的反應速度，所以響應速度最慢。
2．5 安裝尺寸及成本
線(xiàn)性穩壓驅動(dòng)器電路構成簡(jiǎn)單，一般只需20～40個(gè)元器件就可組成，成本低，但由于MOS管也一直處于線(xiàn)性區或飽和區，發(fā)熱量較大，所以需加裝大的散熱裝置，以保證散熱良好，確保系統穩定。電荷泵電路復雜程度居中，外接的電容體積也可通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率而減小，而且現在貼片式電容也得到了很好的應用，使得電荷泵集成度大大提高，所需安裝尺寸進(jìn)一步減小。電感式開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器電路最為復雜，成本最高，而且最少需外接一個(gè)電感、電容和肖特基二極管，特別是在需要屏蔽應用時(shí)，需另外加裝屏蔽裝置，成本更高，尺寸也更大。附對照表如表1所示。

3 LED照明實(shí)際電路應用
在了解了各種驅動(dòng)器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)之后，可針對一些常見(jiàn)的LED照明驅動(dòng)電路的應用情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類(lèi)、歸納總結。
3．1 鋰電池供電LED驅動(dòng)
鋰電池電壓通常在2．5～4．5 V之間，通常采用鋰電池供電的都是便攜式設備，包括移動(dòng)電話(huà)、MP4、筆記本電腦等，為了便于攜帶，設備體積小、重量輕，而且集成度高，較大的電磁干擾會(huì )對其他電路產(chǎn)生影響。根據便攜式設備的實(shí)際情況，LED驅動(dòng)需要達到以下要求：升壓驅動(dòng)；占用面積??；電磁干擾??；高轉換效率。小型設備LCD照明只需將3～9只LED串并聯(lián)使用，但對發(fā)光一致性要求高。大型設備LCD照明通常采取背光模塊的方式。背光模塊已將白光LED光源通過(guò)折射、導光以及其他一些工藝技術(shù)來(lái)處理光均勻度問(wèn)題。所以對于發(fā)光的一致性要求較低。最佳電路結構是采用帶LDO的電荷泵驅動(dòng)方式，這種驅動(dòng)方式能升壓、占用面積小，且EMI干擾很小。
3．2 蓄電池供電LED驅動(dòng)
蓄電池電壓通常在12～36 V之間，輸入電壓始終高于LED管壓降，這種情況下只需進(jìn)行降壓操作即可，如太陽(yáng)能路燈、機動(dòng)車(chē)燈光系統等。這種情況往往對LED發(fā)光的一致性要求較低；但對于發(fā)光亮度要求較高，所以常常采用大功率LED，同時(shí)考慮到應有盡量高的效率和較低成本，其最佳方案是降壓式電感開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器。
3．3 市電情況下的普通照明應用
市電供電是對LED照明最有意義的一種供電方式，是決定LED能否真正普及的一種應用，所以是LED照明必須研究和解決的重要問(wèn)題。用市電供電，首要解決的是降壓、整流問(wèn)題，同時(shí)考慮到LED驅動(dòng)電源會(huì )對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，還要解決好電源噪聲、電磁干擾和大功率因數問(wèn)題，所以需采取電路隔離的方式，減少對電網(wǎng)的污染。對于中小功率的LED來(lái)說(shuō)，最佳的電路結構是采用隔離式單端反激開(kāi)關(guān)變換器。由于單端
反激電路輸出功率能力有限，對于數百瓦以上的應用情況，應選用輸出功率更大的橋式開(kāi)關(guān)變換器。

4 結語(yǔ)
隨著(zhù)便攜式設備的迅速發(fā)展以及市電供電LED照明技術(shù)日益成熟，越來(lái)越多的設備采用了LED照明，對LED的驅動(dòng)芯片的需求將進(jìn)一步擴大?？傊?，白光LED的用途非常之廣泛，其驅動(dòng)電路的設計是非常關(guān)鍵的，只有針對不同的應用環(huán)境，采取合理的驅動(dòng)方式，才能在實(shí)際應用中設計出最穩定、最合理的驅動(dòng)電路。