LED的高效驅動(dòng)分析與典型應用方案

　　圖4 量化顯示了由于紋波電流造成的LED功耗的升高。與LED的散熱時(shí)間常量相比，由于紋波頻率較高，因此，高紋波電流(以及高峰值功耗)不會(huì )影響峰值結溫，它是由平均功耗確定的。LED的高壓降如一個(gè)電壓源，因此，電流波形對功耗沒(méi)有影響。不過(guò)，壓降有一個(gè)電阻分量，并且功耗由電阻乘以均方根 (RMS)電流的平方確定。

　　圖4：紋波電流增加了LED的功耗

　　圖4 也闡明了即使在紋波電流較大的時(shí)候，對功耗也沒(méi)有重大影響。例如，50%的紋波電流僅增加不足5%的功率損耗。當大大超過(guò)此水平時(shí)，需要減小電源的DC電流以保持結溫不變，從而維持半導體的使用壽命。經(jīng)驗法則顯示，結溫每降低10%，半導體使用壽命就會(huì )延長(cháng)兩倍。并且，許多設計都傾向于更小的紋波電流，這是因為電感器的限制。絕大多數電感的設計處理能力小于20%的Ipk/Iout紋波電流比率。

　　典型應用

　　LED 中的電流在很多情況下都是由鎮流電阻或線(xiàn)性穩壓器控制的。不過(guò)，本文主要講述的是開(kāi)關(guān)穩壓器。在驅動(dòng) LED 時(shí)常用的三種基本電路拓撲為：降壓拓撲結構、升壓拓撲結構以及降壓/升壓拓撲結構。采用何種拓撲結構取決于輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系。

　　在輸出電壓始終小于輸入電壓的情況下，應使用降壓穩壓器，圖5顯示了該拓撲結構。在該電路中，對電源開(kāi)關(guān)的占空比 (duty factor) 進(jìn)行了控制，以在輸出濾波器電感 L1 上確立平均電壓。當FET開(kāi)關(guān)閉合時(shí)(TPS5430 內部)，其將輸入電壓連接到電感器，并在L1中構建電流。D2為環(huán)流二極管 (catch diode)，可提供開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電流路徑。電感器可對流過(guò)LED的電流起到平滑的作用，該工作可通過(guò)用電阻監控(測量)LED電流，并將電壓與控制芯片內部的參考電壓進(jìn)行比較，最終進(jìn)行調節。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升，從而也導致了電流的升高。該電路具有極佳的效率，因為電源開(kāi)關(guān)、環(huán)流二極管以及電流感測電阻上的壓降非常低。

　　圖5：降壓LED驅動(dòng)器逐步降低輸入電壓

　　當輸出電壓總是比輸入電壓大時(shí)，最好采用升壓轉換電路，如圖6所示。該電路的U1有一個(gè)帶有控制電子器件的高度集成的電源開(kāi)關(guān)。當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流流過(guò)電感器到接地。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，U1的引腳 1 電壓會(huì )升高，直到D1導通。然后電感器放電，電流進(jìn)入輸出電容器(C3)和LED串。在絕大多數應用中，C3通常用于平滑LED電流。如果沒(méi)有C3，則 LED電流將是斷斷續續的。也就是說(shuō)，它會(huì )在零和電感電流之間切換，這會(huì )導致 LED 熱量增加(從而縮短使用壽命)，亮度減少。在前面的例子中，LED 的電流是通過(guò)一個(gè)電阻感測的，并且占空比會(huì )發(fā)生相應的變化。請注意，本拓撲存在一個(gè)嚴重的問(wèn)題，即它沒(méi)有短路保護電路。若輸出短路，則會(huì )有較大的電流通過(guò)電感器和二極管，從而導致電路失效，或者輸入電壓崩潰。

　　圖6：高度集成的升壓LED驅動(dòng)器逐步升高輸入電壓

　　許多時(shí)候輸入電壓范圍變化很大，可以高于或低于輸出電壓，此時(shí)降壓拓撲和升壓拓撲結構就不起作用了。并且，可能在升壓應用中需要短路保護。在這些情況下，就需要使用降壓/升壓拓撲結構(見(jiàn)圖7)。當電源開(kāi)關(guān)閉合、電感器有電流通過(guò)時(shí)，該電路就相當于升壓電路;當電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感器開(kāi)始放電，電流進(jìn)入輸出電容和 LED。不過(guò)，輸出電壓不是正的，而是負的。此外，請注意本拓撲中不存在升壓轉換電路中出現的短路問(wèn)題，因為其通過(guò)使電源開(kāi)關(guān)Q1開(kāi)路，提供了短路保護功能。該電路的另一個(gè)特性是，雖然它是一個(gè)負的輸出，但并不需要對傳感電路的電平進(jìn)行切換。在本設計中，控制芯片接地到負的輸出，并且可直接測量電流感測電阻R100上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個(gè)LED，但是通過(guò)串聯(lián)可以連接許多LED。電壓的上限是控制芯片的最大額定電壓;輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過(guò)該限值。

　　圖7：降壓/升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍