詮釋LED電源拓撲如何完美提升LED照明能效

隨著(zhù)發(fā)光二極管(LED)生產(chǎn)成本下降，使用也越來(lái)越普遍，應用范圍由手持裝置到汽車(chē)、建筑照明等領(lǐng)域。LED的可靠度高(使用壽命超過(guò)五萬(wàn)小時(shí))，效率佳(每瓦超過(guò)120流明)，并具有近乎實(shí)時(shí)反應的特性，成為極具吸引力的光源。LED可在5奈秒的時(shí)間內產(chǎn)生光，而白熱燈泡的反應時(shí)間則是200毫秒，因此汽車(chē)工業(yè)已將LED運用于煞車(chē)燈上。本文將針對LED特性以及驅動(dòng)LED的折沖情形進(jìn)行介紹，深入探討適合LED驅動(dòng)及調光的各種切換式電源拓撲，并詳細說(shuō)明相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。

　　穩定電流驅動(dòng)LED維持固定亮度

　　LED驅動(dòng)仍面臨許多挑戰，要維持固定的亮度，需要以穩定電流驅動(dòng)LED，且不受到輸入電壓的影響，相較于白熱燈泡單純接上電池作為電源的挑戰更大。

　　LED具有順向V-I特性，與二極管情形類(lèi)似。白光LED的開(kāi)啟閾值約為3.5伏特，在此閾值之下，通過(guò)LED的電流量非常少。超過(guò)此閾值之后，電流會(huì )以指數方式增強，造成順向電壓遞增，LED因而成為具有串聯(lián)電阻的電壓來(lái)源模型。不過(guò)須要注意，此模型僅在直流電流單一操作的情況下有效，如果LED中的直流電流改變，則模型中的電阻也應該改變，以顯現新的操作電流。在大量順向電流的情況下，LED中所消耗的電力會(huì )提升裝置溫度，改變順向壓降與動(dòng)態(tài)阻抗，決定LED阻抗時(shí)，務(wù)必考慮環(huán)境的熱度。

　　如果LED是由降壓穩壓器驅動(dòng)，除了直流電流之外，LED常會(huì )傳導電感的交流鏈波電流，根據所選擇的輸出濾波器安排情形而定。這會(huì )增加LED中電流的RMS強度，也會(huì )增加其功率的消耗，并使結點(diǎn)溫度升高，對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設立70%的限制作為L(cháng)ED的使用年限，便可增加LED的壽命，由74℃的15，000小時(shí)，延長(cháng)到63℃的40，000小時(shí)。LED中功率流失的判定方法，是將LED電阻乘上RMS電流的平方，加上由平均電流乘上順向壓降的數值。由于結點(diǎn)溫度是由平均功率所決定，即使出現大量的鏈波電流，對功率消耗的影響也很小。舉例來(lái)說(shuō)，在降壓穩壓器當中，相等于直流輸出電流的峰間鏈波電流(Ipk-pk=Iout)，總功率損耗將增加不到10%。如果是大于此程度相當多的情況，則必須降低供應的交流鏈波電流，以維持結點(diǎn)溫度及操作壽命。在此有一個(gè)實(shí)用的基本原則，就是結點(diǎn)溫度降低10℃，半導體的壽命就會(huì )增加兩倍。實(shí)際上大部分的設計，因為電感限制的關(guān)系，傾向使用低上許多的鏈波電流。另外，LED中的峰值電流，不應超過(guò)制造商指定的最大安全操作額定值。

　　LED應用于多種領(lǐng)域需多種電源拓撲支持

　　表1的信息可供作選擇LED驅動(dòng)器最佳切換拓撲的參考。除了這些拓撲之外，也可以使用簡(jiǎn)單的電流限制電阻或是線(xiàn)性穩壓器，不過(guò)這些方法通常會(huì )耗用過(guò)多功率。輸入電壓范圍、驅動(dòng)的LED數目、LED電流、隔離、電磁干擾(EMI)限制以及效能，都是相關(guān)的設計參數。大部分的LED驅動(dòng)電路可分為以下幾種拓撲類(lèi)別：降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。

　　圖1顯示三個(gè)基本電源拓撲的例子，第一張圖所顯示的降壓穩壓器，可使用于輸出電壓永遠小于輸入電壓的情形。圖1中，降壓穩壓器改變金屬氧化半導體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)的導通時(shí)間，以控制進(jìn)入LED的電流?？稍竭^(guò)電阻測量電壓以進(jìn)行電流偵測；電阻與LED為串聯(lián)狀態(tài)。驅動(dòng)MOSFET是本方法在設計上的重大挑戰，如果從成本及效能的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，建議使用須要浮接閘極驅動(dòng)的N信道FET。N信道FET須要使用驅動(dòng)變壓器或是浮動(dòng)驅動(dòng)電路，兩者都可維持電壓高于輸入電壓。

圖1也顯示替代的降壓穩壓器(Buck#2)。在此電路中，MOSFET的驅動(dòng)與接地有關(guān)，大幅降低了驅動(dòng)電路的需求。本電路偵測LED電流的方法為監控FET電流，或是與LED串聯(lián)的電流偵測電阻。如果采用后者，則須要使用位準移位電路，將此信息送至接地電源，并將簡(jiǎn)單的設計復雜化。同樣顯示于圖1中的升壓轉換器，則是在輸出電壓永遠大于輸入時(shí)使用。這種拓撲設計容易，因為MOSFET的驅動(dòng)與接地有關(guān)，而電流偵測電阻也是屬于接地引用類(lèi)型。此電路的缺點(diǎn)是在短路時(shí)，無(wú)法限制通過(guò)電感的電流，可以使用保險絲或電路斷路器，作為故障保護裝置。此外，還有一些較復雜的拓撲可提供這類(lèi)保護。

　　圖2顯示兩種降壓升壓電路，可在輸入電壓可能大于或小于輸出電壓的情形下使用。這些電路與前述兩種降壓拓撲有相同的折沖特點(diǎn)，與電流偵測電阻與門(mén)極驅動(dòng)的位置有