LED驅動(dòng)拓撲結構的選擇及示例分析

在現代的照明市場(chǎng)中，LED已經(jīng)占據了半壁天下。這種全新的照明技術(shù)已經(jīng)成功的進(jìn)入到了我們的生活當中。隨著(zhù)市場(chǎng)需求的增加，從事LED設計的人員也越來(lái)越多。對于新手來(lái)說(shuō)，初級LED照明電路的設計并不算難，但是拓撲電路的選擇往往會(huì )成為一個(gè)比較讓人頭疼的問(wèn)題。本篇文章將對LED驅動(dòng)電源的拓撲結構選擇進(jìn)行指導。

LED驅動(dòng)電源的拓撲結構選擇

圖1 LLC半橋諧振拓撲結構

在LED驅動(dòng)電路當中，經(jīng)常會(huì )添加帶有變壓的交流到直流電源轉換功能，其中包含了反激、正激及半橋等拓撲結構。如圖1所示，其中反激拓撲結構是功率小于30 W的中低功率應用的標準選擇，而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言，其尺寸的大小與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，且多數隔離型LED 驅動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。

圖2是設計當中比較常見(jiàn)的一些直流驅動(dòng)方式。這種驅動(dòng)方式相較于其他的方法來(lái)說(shuō)設計簡(jiǎn)單、成本低廉，并且最大的特點(diǎn)是不受到EMC的干擾，但也有不足，就是依賴(lài)于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅動(dòng)方式有電阻型、線(xiàn)性穩壓器及開(kāi)關(guān)穩壓器等，電阻型驅動(dòng)方式中，調整與LED串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流，線(xiàn)性穩壓器同樣易于設計且沒(méi)有EMC問(wèn)題，還支持電流穩流及過(guò)流保護(fold back)，且提供外部電流設定點(diǎn)，不足在功率耗散問(wèn)題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開(kāi)關(guān)穩壓器通過(guò)PWM控制模塊不斷控制開(kāi)關(guān)(FET)的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。

高能效是開(kāi)關(guān)穩壓器的優(yōu)點(diǎn)，但是更高的能效產(chǎn)生就意味著(zhù)更多的成本投入，不僅如此，開(kāi)關(guān)穩壓器的結構也較為復雜，并且無(wú)法擺脫EMI的問(wèn)題。LED DC-DC開(kāi)關(guān)穩壓器常見(jiàn)的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)、單端初級電感轉換器(SEPIC)等不同類(lèi)型。其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED串最大電壓時(shí)采用降壓結構，如采用24 Vdc驅動(dòng)6顆串聯(lián)的LED;與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時(shí)采用升壓結構，如采用12 Vdc驅動(dòng)6顆串聯(lián)的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)，可以采用降壓-升壓或SEPIC結構，如采用12 Vdc或12 Vac驅動(dòng)4顆串聯(lián)的LED，但這種結構的成本及能效最不理想。

從最初的簡(jiǎn)單電路構造，發(fā)展到先如今的直流電源直接驅動(dòng)，LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了較為長(cháng)遠的一段發(fā)展時(shí)間。直流電源驅動(dòng)的應用示意圖如圖3所示。這種結構中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在線(xiàn)路電壓大于正向電壓時(shí)才導通。這種結構具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC轉換所帶來(lái)的功率損耗等。但是，這種結構中LED在低頻開(kāi)關(guān)，故人眼可能會(huì )察覺(jué)到閃爍現象。此外，在這種設計中還需要加入LED保護措施，使其免受線(xiàn)路浪涌或瞬態(tài)的影響。

LED拓撲選擇示例分析

圖4當中給出的表格是LED驅動(dòng)拓撲選擇的參考，這里列出的是比較常用的幾個(gè)，黑色的圓點(diǎn)表示在此種情況下應該選擇哪種拓撲結構。如果只是使用較為簡(jiǎn)易的電阻器或線(xiàn)性穩壓器來(lái)驅動(dòng)LED的話(huà)，也是可以的。但是此類(lèi)方法通常會(huì )浪費過(guò)多功率。所有相關(guān)的設計參數包括輸入電壓范圍、驅動(dòng)的LED數量、LED電流、隔離、EMI抑制以及效率。大多數的LED驅動(dòng)電路都屬于下列拓撲類(lèi)型：降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC 和反激式拓撲。

在圖5當中給出了三種較為基本的拓撲，前兩個(gè)為BUCK型，最后一個(gè)為BOOST型。第一個(gè)示意圖所顯示的降壓穩壓器適用于輸出電壓總體小于輸入電壓的情形。在圖5中，降壓穩壓器會(huì )通過(guò)改變MOSFET的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)控制電流進(jìn)入LED。電流感應可通過(guò)測量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應與LED串聯(lián)。對該方法來(lái)說(shuō)，重要的設計難題是如何驅動(dòng)MOSFET。從性?xún)r(jià)比的角度來(lái)說(shuō)，推薦使用需要浮動(dòng)柵極驅動(dòng)的N通道場(chǎng)效應晶體管(FET)。這需要一個(gè)驅動(dòng)變壓器或浮動(dòng)驅動(dòng)電路(其可用于維持內部電壓高于輸入電壓)。

相信稍有基礎的人都能看出來(lái)，圖5當中的第二個(gè)電路為備選的降壓穩壓器，其中的MOSFET對接地進(jìn)行驅動(dòng)，從而大大降低了驅動(dòng)電路要求。該電路可選擇通過(guò)監測FET電流或與LED串聯(lián)的電流感應電阻來(lái)感應 LED電流。后者需要一個(gè)電平移位電路來(lái)獲得電源接地的信息，但這會(huì )使簡(jiǎn)單的設計復雜化。

另外，圖5中還顯示了一個(gè)升壓轉換器，該轉換器可在輸出電壓總是大于輸入電壓時(shí)使用。由于MOSFET對接地進(jìn)行驅動(dòng)并且電流感應電阻也采用接地參考，因此此類(lèi)拓撲設計起來(lái)就很容易。該電路的一個(gè)不足之處是在短路期間，通過(guò)電感器的電流會(huì )毫無(wú)限制。但是可以通過(guò)保險絲或電子斷路器的形式來(lái)增加故障保護。此外，某些更為復雜的拓撲也可提供此類(lèi)保護。

圖6 降壓-升壓型拓撲可調節大于或小于 Vout的輸入電壓

圖6當中的電路一般在輸出電壓和輸入電壓較為不穩定，呈現時(shí)高時(shí)低時(shí)使用。兩者具有相同的折衷特性(其中折衷可在有關(guān)電流感應電阻，以及柵極驅動(dòng)位置的兩個(gè)降壓型拓撲中顯現)。圖6中的降壓-升壓型拓撲顯示了一個(gè)接地參考的柵極驅動(dòng)。它需要一個(gè)電平移位的電流感應信號，但是該反向降壓-升壓型電路具有一個(gè)接地參考的電流感應和電平移位的柵極驅動(dòng)。如果控制IC與負輸出有關(guān)，并且電流感應電阻和LED 可交換，那么該反向降壓-升壓型電路就能以非常有用的方式進(jìn)行配置。適當的控制IC，就能直接測量輸出電流，并且MOSFET也可被直接驅動(dòng)。

圖7 降壓或升壓型以及 SEPIC 拓撲提供了更高的效率

但是這種方法存在一定的缺陷，就是電流會(huì )比較高。如，輸出電壓和輸入電壓相同時(shí)，電感和電源開(kāi)關(guān)電流則為輸出電流的兩倍。這會(huì )對效率和功耗產(chǎn)生負面的影響。在許多情況下，圖7中的“降壓或升壓型”拓撲將緩和這些問(wèn)題。在該電路中，降壓功率級之后是一個(gè)升壓。如果輸入電壓高于輸出電壓，則在升壓級剛好通電時(shí)，降壓級會(huì )進(jìn)行電壓調節。如果輸入電壓小于輸出電壓，則升壓級會(huì )進(jìn)行調節而降壓級則通電。通常要為升壓和降壓操作預留一些重疊，因此從一個(gè)模型轉到另一模型時(shí)就不存在靜帶。

當然該電路也是有優(yōu)點(diǎn)存在的，就是當輸出和輸入的電壓對等時(shí)，開(kāi)關(guān)和電感器電流也近乎等同于輸出電流。電感紋波電流也趨向于變小。即使該電路中有四個(gè)電源開(kāi)關(guān)，通常效率也會(huì )得到顯著(zhù)的提高，在電池應用中這一點(diǎn)至關(guān)重要。圖7中還顯示了 SEPIC 拓撲，此類(lèi)拓撲要求較少的 FET，但需要更多的無(wú)源組件。其好處是簡(jiǎn)單的接地參考 FET 驅動(dòng)器和控制電路。此外，可將雙電感組合到單一的耦合電感中，從而節省空間和成本。但是像降壓-升壓拓撲一樣，它具有比“降壓或升壓”和脈動(dòng)輸出電流更高的開(kāi)關(guān)電流，這就要求電容器可通過(guò)更大的 RMS 電流。

當然，在考慮效率的基礎上，所有的效率就都應出于對安全的考慮，一般來(lái)說(shuō)都會(huì )規定在離線(xiàn)電壓和輸出電壓之間使用隔離。在此應用中，最具性?xún)r(jià)比的解決方案是反激式轉換器(請參見(jiàn)圖8)。它要求所有隔離拓撲的組件數最少。變壓器匝比可設計為降壓、升壓或降壓-升壓輸出電壓，這樣就提供了極大的設計靈活性。 但其缺點(diǎn)是電源變壓器通常為定制組件。此外，在 FET以及輸入和輸出電容器中存在很高的組件應力。在穩定照明應用中，可通過(guò)使用一個(gè)“慢速”反饋控制環(huán)路(可調節與輸入電壓同相的LED電流)來(lái)實(shí)現功率因數校正(PFC)功能。通過(guò)調節所需的平均LED電流以及與輸入電壓同相的輸入電流，即可獲得較高的功率因數。

現如今，很多的應用中都開(kāi)始使用LED，而LED則要使用相應的拓撲結構來(lái)進(jìn)行配合 。一般來(lái)說(shuō)，決定使用哪個(gè)LED拓撲結構的，通常是輸入電壓、輸出電壓和隔離需求等因素。在輸出輸入電壓不穩定的情況下，使用降壓或著(zhù)升壓的方法來(lái)應對是正確的選擇。但是當輸入輸出電壓處于較為穩定的情況下時(shí)，選擇機會(huì )變得比較困難，所以希望通過(guò)本篇，能夠幫助大家積累在這方面的知識。