LED照明之降壓結構的實(shí)現

　　隨著(zhù)LED的廣泛應用，在很多地方線(xiàn)性電源這種簡(jiǎn)單的結構已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。一般情況下，當用電阻的方式設定LED所需的正向電流的時(shí)候，這種簡(jiǎn)單的驅動(dòng)方式可以連續的由電源向負載提供能量。由于LED的電流與電阻上的相同，所以電阻上產(chǎn)生的功耗會(huì )隨輸入電壓的增加而增加。例如，一個(gè)用線(xiàn)性電源驅動(dòng)的LED，效率為70%，用5V線(xiàn)性電源提供1A電流給一個(gè)典型的白光InGaN LED (VF = 3.5V)。在相同的工作條件下，當輸入電壓上升到12V時(shí)，它的效率將會(huì )降到30%。在如此低效率的情況下是無(wú)法應用的。

　　開(kāi)關(guān)電源

　　開(kāi)關(guān)電源改善了由于輸入變化使得效率變化比較大的問(wèn)題。這種方式是通過(guò)控制占空比的方式來(lái)滿(mǎn)足輸出所需要的電壓或電流。由于開(kāi)關(guān)電源會(huì )產(chǎn)生脈沖式的電壓和電流，所以這就需要用一些儲能器件(電感或電容)對這些脈沖波形進(jìn)行整形。和線(xiàn)性電源相反，開(kāi)關(guān)電源可以通過(guò)不同的設置來(lái)實(shí)現電流或電壓的降、升或者同時(shí)升降的功能。開(kāi)關(guān)電源同樣可以在寬的輸入或輸出范圍下實(shí)現高效率。在前面的例子中，用一個(gè)降壓型的開(kāi)關(guān)電源取代線(xiàn)性電源后，當輸入電壓由5V變到12V后，電路的效率由95%變到98%。

　　開(kāi)關(guān)電源在效率和結構的靈活性上得到了很大的提升，但由于周期性的開(kāi)關(guān)造成了噪聲的增加，同時(shí)由于結構的復雜使得電路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED電路可以被簡(jiǎn)單的認為是一個(gè)恒流源。拓撲結構的選擇應該考慮最少的外部原件和最好的性能為標準，這樣可以提高電路的穩定性和減少成本。鑒于LED的動(dòng)態(tài)調光特性好，在設計的時(shí)候要考慮使這種特性能夠方便應用。幸運的是，基本降壓開(kāi)關(guān)電路在實(shí)現這些特性的時(shí)候表現的非常好，所以L(fǎng)ED驅動(dòng)一般選擇降壓型開(kāi)關(guān)電源。

　　恒流輸出級

　　開(kāi)關(guān)調整器最常用的是電壓調整器。圖1a為一種基本恒壓型降壓調整器。降壓控制器可以在輸入電壓變化的情況下，通過(guò)控制占空比或頻率的變化使輸出電壓保持恒定。輸出所需的電壓由下面的公式計算得到(Eq. 1)

圖1a：基本降壓型電壓調整器

　　電感L用來(lái)設置電感電流紋波的峰-峰值ΔIpp的大小，電容Co用來(lái)設置輸出電壓紋波和輸出電壓的負載瞬態(tài)響應。在這種降壓型逆變器中電感的平均電流等于負載電流，因此我們可以通過(guò)控制電感電流紋波的峰-峰值來(lái)控制負載電流。這樣可以使電壓源控制的方式轉換成電流源控制的方式。圖1b為一種基本電流型降壓調整器。與恒壓型相似，恒流型降壓調整器可以在輸入電壓變化的情況下，通過(guò)控制占空比或頻率的變化使輸出電流IF保持恒定。輸出所需的電流由下面的公式計算得到(Eq. 2)：

圖1b：基本電流型降壓調整器

　　在我們設定好LED電流IF之后，我們必須準確的檢測電感上的電流。從理論上來(lái)說(shuō)，檢測電感電流有很多方式，例如利用MOSFET的導通阻抗Rdson檢測或者用電感的直流電阻檢測。但是實(shí)際上這些檢測方式在精度上不能滿(mǎn)足LED電流設置的要求(高亮度LED的精度為5%-15%)。如果直接用電阻RFB來(lái)檢測IF，這樣在精度上就可以滿(mǎn)足要求，但是在電阻上將會(huì )產(chǎn)生額外的功耗。降低反饋電壓VFB，在同樣的檢測電流IF (圖. 2)的情況下可以降低檢測電阻的阻值，這樣就可以使功耗降到最低。最新的LED驅動(dòng)大多數提供的參考電壓(反饋電壓)在50-200毫伏之間。

　　恒流降壓調整器獨特之處在于輸出可以不需要電容。因為有連續的輸出電流和不存在負載瞬態(tài)變化，這個(gè)調整器中輸出電容的作用只是局限于電流濾波器。當我們設置成沒(méi)有電容的恒流型降壓調整器時(shí)，此時(shí)輸出阻抗將大幅增加，而對于升壓型來(lái)說(shuō)，由于輸出阻抗增加，為了滿(mǎn)足輸出電流恒定，輸出電壓也將會(huì )大幅增加。結果調光的速度和調光的范圍都有了顯著(zhù)的提高。在應用過(guò)程中，從背光和機器視覺(jué)角度來(lái)說(shuō)調光的范圍是一種非常有價(jià)值的特性。

　　在另一方面，由于輸出電容不足，AC電流的紋波電路需要比較大的電感，以滿(mǎn)足LED紋波的要求(正向電流ΔIF = ±5 到20%)。在同樣的電流紋波時(shí)，大電感會(huì )增加面積和LED驅動(dòng)的成本。因此在恒流降壓電路中，輸出電容的使用要在成本、面積和調光的速度、范圍之間經(jīng)行權衡。

　　例如，用紋波電流驅動(dòng)一個(gè)1A的白光LED(VF ≈ 3.5V)，ΔIF需要滿(mǎn)足±5%范圍內，輸入電壓12V，頻率為500kHz，在電感電流幅度為1.1A時(shí)，只能允許使用50mH的電感。然而如果電感的紋波電流允許增加±30%，那么電感將會(huì )小于10mH。如果10mH和50mH電感在使用相同的材料和相同的額定電流的情況下，在成本和體積方面，10mH大概只是50mH的一半。為了用10mH電感實(shí)現需求的ΔIF (±5 %)，輸出電容需要根據LED的動(dòng)態(tài)電阻rD和檢測電阻RFB和在此開(kāi)關(guān)頻率下電容的阻抗來(lái)計算，可以利用下面的表達式(Eq. 3)

　　環(huán)路控制結構

　　基于降壓的結構可以與很多環(huán)路控制結構很好的匹配，而且不用考慮穩定性的限制，例如右半平面零點(diǎn)問(wèn)題。除了和其他調光方法兼容以外，這種降壓結構使得PWM調光變得容易?；谶@種結構的LED驅動(dòng)可以使系統設計人員提供更多的選擇。滯回控制非常適合在開(kāi)關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應用，例如白紙燈泡和交通燈。由于滯回控制不用考慮穩定性限制，所以不需要考慮環(huán)路補償。不像環(huán)路控制那樣受帶寬限制。利用滯回控制驅動(dòng)降壓LED驅動(dòng)(圖.2a)使設計變得簡(jiǎn)單，也減少了器件數量和成本。這種結構也使PWM調光的范圍比其他結構好。利用滯回控制的LED驅動(dòng)非常適合在要求調光范圍非常大和調光頻率比較高以及開(kāi)關(guān)頻率變化非常大的情況下應用。

　圖2a：基本的滯回控制降壓驅動(dòng)

　　類(lèi)似的滯回降壓LED驅動(dòng)可以在固定頻率操作和不需要開(kāi)關(guān)頻率變化的滯回控制之間提供了一個(gè)比較好的折中方案?？刂崎_(kāi)啟時(shí)間的降壓LED驅動(dòng)(圖2b)使用了一個(gè)滯回比較器和開(kāi)啟時(shí)間控制器。讓開(kāi)啟時(shí)間與輸入電壓成反比，這樣可以讓開(kāi)關(guān)頻率的變化減少的最小。運用這種結構同樣可以避免環(huán)路控制的帶寬限制。運用不同的調光結構可以讓調光范圍變得非常寬。

　　在一些情況下，例如許多自動(dòng)控制應用中，LED驅動(dòng)與外部時(shí)鐘或與驅動(dòng)之間進(jìn)行同步時(shí)要求減少噪音的干擾。在沒(méi)有時(shí)鐘的滯回控制和準滯回控制的結構在執行同步頻率時(shí)會(huì )帶來(lái)困難。相比來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題對于由時(shí)鐘控制的調整器來(lái)說(shuō)就比較容易實(shí)現，例如圖2c中固定頻率的降壓LED驅動(dòng)。固定頻率控制可以解決這個(gè)復雜的問(wèn)題，但是由于它動(dòng)態(tài)響應的限制也影響了調光的范圍。

圖2c：基本的固定頻率的降壓LED驅動(dòng)

　　總之，降壓LED驅動(dòng)的很多特點(diǎn)使其變得很有吸引力。它可以很容易設置成電流源，也可以實(shí)現最少的外圍元器件，器件少可以使得設計變得簡(jiǎn)單，提高驅動(dòng)的穩定性，也可以減少成本。降壓結構的LED適合很多種控制方式使其應用的靈活性比較高。它輸出可以省略輸出電容，也可以與其他不同的調光方式進(jìn)行很好的匹配，這些特點(diǎn)可以允許它在高速調光和寬范圍調光的情況下應用。當應用允許的情況下，所有的這些特點(diǎn)使得降壓LED驅動(dòng)的拓撲結構有了很多的選擇。

　　什么樣的應用條件不允許使用這種結構呢？例如家用或商用的照明需要上千流明，設計一種方法來(lái)驅動(dòng)一個(gè)LED串。LED串上的總的正向壓降等于其中每個(gè)LED正向壓降之和。在一些情況下，系統的輸入電壓范圍可能比一串LED的正向壓降低，或者有的時(shí)候高有的時(shí)候低。這些情況下有可能會(huì )需要升壓結構，也有可能會(huì )需要降-升壓開(kāi)關(guān)調整器。在下一部分，我們將會(huì )討論升壓和降-升壓結構的LED驅動(dòng)。