分析Boost和Buck-Boost等拓撲結構的LED驅動(dòng)

　　歐盟提出了世界上最嚴格的法律規定：任何高于25瓦的光源都要具有PFC。沒(méi)有幾年，北美和亞洲也做出了同樣的規定。諸如UL和CE這樣的安全標準電氣規定限制了供給boostLED驅動(dòng)的AC/DC供電輸出電壓。通常電壓規定為12和24V，有時(shí)是48V。這些中間電壓總線(xiàn)很少超過(guò)60V，也就是ULClass2定為DC電壓的最高值。

　　Boost調節器

　　不管我們是否要控制輸出電壓或輸出電流，Boost調節器都要比Buck調節器更難設計。持續導通狀態(tài)（CCM）Boost轉換器中的平均感應電流等于負載電流（LED電流）乘以1/(1-D)，這里D是占空度。Boost電壓調節器需要設計者考慮到輸入電壓的限制來(lái)保證電感的正確設計，特別是額定峰值電流。

　　Boost LED驅動(dòng)加了一個(gè)可變輸出電壓，這個(gè)電壓影響了占空比，因此也影響了主電感器的電感值和額定電流。為了避免電感飽和，最大平均值和電流峰值必須由VIN-MIN和VO-MAX同時(shí)求出。例如，歷數加工、驅動(dòng)電流和模具溫度，一個(gè)標準的白InGaN LED的VF可以從3V變到4V。串聯(lián)的LED越多，VO-MIN和VO-MAX的間距就越大。

　　不同于帶有輸出電感的Bulk調節器，Boost轉換器有一個(gè)非持續輸出電流。因此，輸出電容需要輸出電壓要持續（輸出電流也如此）。這里，電壓調節器中的輸出電容被設計成兼有濾波器并且在負載瞬變時(shí)可以保持輸出電壓，在電流調節中，它只是起到了類(lèi)似一個(gè)AC電流濾波器的作用。電容值要盡量低，并且要與所期望的LED波動(dòng)電流保持一致。輸出電容越?。ㄍ瑫r(shí)也可以盡量降低成本和大?。?，轉換器對輸出電流的回應就越快，這樣LED的調光反應就越好。

　　Boost轉換器的另外一個(gè)嚴峻挑戰是控制環(huán)。Buck調節器允許電壓模式的PWM控制、峰值電流模式的PWM控制、constant/controlledon-time以及其它的滯后控制。注意到處于CCM的Boost調節器（低功率、便攜設備除外）的右半平面零和在控制開(kāi)關(guān)關(guān)閉的時(shí)候還在向輸出供電的特性，它們幾乎被限定在峰值電流模式PWM控制。要設計一個(gè)控制輸出電流的BoostLED驅動(dòng)，控制環(huán)必須要把LED看作是負載來(lái)分析，這與Boost電壓調節器的典型負載非常不同。

　　在峰值電流模式控制中，負載阻抗對DC增益和控制到輸出轉換函數的低頻極點(diǎn)有很大影響。對電壓調節器來(lái)說(shuō)，負載阻抗由輸出電壓與輸出電流的比值來(lái)決定。LED是個(gè)擁有動(dòng)態(tài)電阻的二極管。這個(gè)動(dòng)態(tài)電阻只能通過(guò)做出VF(IF)曲線(xiàn)，然后用切線(xiàn)來(lái)找到希望的前向電流的斜率來(lái)決定。如圖1所示，電流調節器使用負載本身來(lái)作為反饋分頻器來(lái)閉環(huán)。這就使DC增益降低了(RSNS/(RSNS+rD))倍。

　　我們趨向于用一個(gè)簡(jiǎn)單的積分器犧牲穩定帶寬來(lái)補償BoostLED驅動(dòng)。事實(shí)上是大多數或者說(shuō)許多LED驅動(dòng)應用需要調光。無(wú)論調光是通過(guò)IF的線(xiàn)性調節(模擬調光)來(lái)完成，還是通過(guò)高頻打開(kāi)或切斷輸出（數字或PWM調光）來(lái)實(shí)現，系統都需要像電壓調節器實(shí)現的高帶寬和快速瞬變回應。

　　Buck-boost調節器

　　照明用LED的開(kāi)發(fā)要比固態(tài)光源標準的發(fā)展快得多。大量不同種類(lèi)的LED擁有很多不同的供電電壓。串聯(lián)的LED的數目、種類(lèi)及其不同的加工和模具溫度都產(chǎn)生了不同的輸出電壓。例如，高端汽車(chē)正在過(guò)渡到利用LED來(lái)作為日間行駛燈。三個(gè)3瓦白色LED組成了一個(gè)12V1A的負載。汽車(chē)電壓系統通常需要持續工作于9到16V，并且可以延伸到*2V，使系統可以無(wú)損運行，但是其性能可能要有折扣。通常來(lái)說(shuō)，Buck調節器是最好的LED驅動(dòng)器，其次是Boost,但是在這個(gè)應用中，他們沒(méi)有優(yōu)劣之分。如果一定要用Buck-boost調節器，最難的決定就是采用哪種拓撲。

　　任何拓撲的Buck-boost調節器和Buck調節器或Boost調節器的最基本的區別是Buck-boost從來(lái)沒(méi)有把輸入供電直接連接到輸出。在一部分轉換環(huán)中，Buck和Boost調節器把VIN連接到VO（通過(guò)電感和開(kāi)關(guān)/二極管），這個(gè)直連使它們更有效率。

　　所有的Buck-boost都把所有要傳送給負載的能量?jì)Υ婊蛘叽艌?chǎng)（電感或變壓器）或者電場(chǎng)（電容）中，這樣就導致了電源轉換中的高峰值電流或者更高電壓。特別的一點(diǎn)是要考慮在輸入電壓和輸出電壓的拐角，因為峰值轉換電流發(fā)生在VIN-MIN和VO-MAX，但是峰值轉換電壓發(fā)生在VIN-MAX、VIN-MAX和VO-MAX。一般來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)擁有一個(gè)這樣的輸出功率的Buck-boost調節器要比一個(gè)同樣輸出功率的Buck或Boost調節器更大且效率更低。

　　單電感Buck-boost可以像Buck或Boost調節器一樣組建，使它在系統成本的角度來(lái)講很吸引人。這種拓撲的一個(gè)缺點(diǎn)是Vo被反置（圖2a）或者以VIN為參照（圖2b）。測平移動(dòng)或者反偏電路必須要用一些轉換器。像boost轉換器，它們有一個(gè)不連續輸出電流，并且需要一個(gè)輸出電容來(lái)維持一個(gè)持續LED電流。功率MOSFET要承受一個(gè)峰值為IIN加上IF的電流還有一個(gè)峰值為VIN加上VO的電壓。

　　圖2：(a) 高端buck-boost (b)低端buck-boost