LED驅動(dòng)器拓撲結構的分析

隨著(zhù)led的生產(chǎn)成本下降，其使用愈發(fā)普遍，所涵蓋的應用范圍從手持終端設備到車(chē)載，再到建筑照明。 LED的高可靠性(使用壽命超過(guò)50,000個(gè)小時(shí))、較高的效率(>120流明/瓦)以及近乎瞬時(shí)的響應能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡200mS的響應時(shí)間相比，LED會(huì )在短短5ns響應時(shí)間內發(fā)光。因此，目前它們已在汽車(chē)行業(yè)的剎車(chē)燈中得到廣泛采用。

驅動(dòng)LED

驅動(dòng)LED并非沒(méi)有挑戰?？烧{的亮度需要用恒定電流來(lái)驅動(dòng)LED，并且無(wú)論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來(lái)為其供電相比更具有挑戰性。

LED具有類(lèi)似于二極管的正向V-I特性。在低于LED開(kāi)啟閾值(白光LED的開(kāi)啟電壓閾值大約為 3.5V)時(shí)，通經(jīng)該LED的電流非常小。在高于該閾值時(shí)，電流會(huì )以正向電壓形式成指數倍遞增。這就允許將LED定型為帶有一個(gè)串聯(lián)電阻的電壓源，其中帶有一則警示說(shuō)明：本模型僅在單一的工作DC電流下才有效。如果LED中的DC電流發(fā)生改變，那么該模型的電阻也應隨即改變，以反映新的工作電流。在大的正向電流下，LED中的功率耗散會(huì )使設備發(fā)熱，此舉將改變正向壓降和動(dòng)態(tài)阻抗。在確定LED阻抗時(shí)充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的。

當通過(guò)降壓穩壓器驅動(dòng)LED時(shí)，LED常常會(huì )根據所選的輸出濾波器排列來(lái)傳導電感的AC紋波電流和DC電流。這不僅會(huì )提高LED中電流的RMS振幅，而且還會(huì )增大其功耗。這樣就可提高結溫并對LED的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們設定一個(gè)70%的光輸出限制作為L(cháng)ED的使用壽命，那么LED的壽命就會(huì )從74攝氏度度下的15,000小時(shí)延長(cháng)到63攝氏度度下的40,000小時(shí)。LED的功率損耗由LED電阻乘以RMS電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來(lái)確定。由于結溫可通過(guò)平均功耗來(lái)確定，因此即使是較大的紋波電流對功耗產(chǎn)生的影響也不大。

例如，在降壓轉換器中，等于DC輸出電流(Ipk- pk=Iout)的峰至峰紋波電流會(huì )增加不超過(guò)10%的總功率損耗。如果遠遠超過(guò)上面的損耗水平，那么就需要降低來(lái)自電源的AC紋波電流以便使結溫和工作壽命保持不變。一條非常有用的經(jīng)驗法則是結溫每降低10攝氏度，半導體壽命就會(huì )提高兩倍。實(shí)際上，由于電感器的抑制作用，因此大多數設計就趨向于更低的紋波電流。此外，LED中的峰值電流不應超過(guò)廠(chǎng)商所規定的最大安全工作電流額定值。

拓撲選擇

表1中所顯示的信息有助于為LED驅動(dòng)器選擇最佳的開(kāi)關(guān)拓撲。除這些拓撲之外，您還可使用簡(jiǎn)易的限流電阻器或線(xiàn)性穩壓器來(lái)驅動(dòng)LED，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。

表1：備選的LED電源拓撲

圖1顯示了三種基本的電源拓撲示例。第一個(gè)示意圖所顯示的降壓穩壓器適用于輸出電壓總小于輸入電壓的情形。在圖1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)。

圖1還顯示了備選的降壓穩壓器(buck#2)。在此電路中，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1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。您可以通過(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1：簡(jiǎn)單的降壓和升壓型拓撲為L(cháng)ED供電

圖2顯示了兩款降壓-升壓型電路，該電路可在輸入電壓和輸出電壓相比時(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)電流感應電阻和柵極驅動(dòng)位置的兩個(gè)降壓型拓撲中顯現)。圖2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2：降壓-升壓型拓撲可調節大于或小于Vout的輸入電壓

該降壓-升壓方法的一個(gè)缺陷是電流相當高。例如，當輸入和輸出電壓相同時(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3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。

當輸入和輸出電壓幾乎相等時(shí)，該電路的好處是開(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3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。

圖3：降壓或升壓型以及SEPIC拓撲提供了更高的效率

出于安全考慮，可能規定在離線(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4)。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。

需要對LED進(jìn)行調光是一件很平常的事。例如，可能需要調節顯示屏或調節建筑燈的亮度。實(shí)現此操作的方式有兩種：即降低LED電流或快速打開(kāi)LED再關(guān)閉，然后使眼睛最終得到平衡。因為光輸出并非完全與電流呈線(xiàn)性關(guān)系，因此降低電流的方法效率最低。此外，LED 色譜通常會(huì )在電流低于額定值時(shí)發(fā)生改變。請記?。喝藢α炼鹊母兄芍笖当对?，因此調光就需要電流出現更大的百分比變動(dòng)。因為在全電流下，3%的調節誤差由于電路容差緣故可在10%的負載下放大成30%甚至更大的誤差，因此這會(huì )對電路設計產(chǎn)生重大的影響。盡管存在響應速度問(wèn)題，但通過(guò)脈寬調制(PWM)來(lái)調節電流仍更為精確。當照明和顯示時(shí)，需要100Hz以上的PWM才能使人眼不會(huì )察覺(jué)到閃爍。10%的脈沖寬度處于毫秒范圍內，并且要求電源具有高于 10kHz以上的帶寬。

結　論

如表2所示，在許多應用中使用LED正變得日益普遍。它將會(huì )采用各種電源拓撲來(lái)為這些應用提供支持。通常，輸入電壓、輸出電壓和隔離需求將規定正確的選擇。在輸入電壓與輸出電壓相比總是時(shí)高時(shí)低時(shí)，采用降壓或升壓可能是顯而易見(jiàn)的選擇。但是，當輸入和輸出電壓的關(guān)系并非如此受抑制時(shí)，該選擇就變的更加困難，需要權衡許多因素，其中包括效率、成本和可靠性。

表2：許多LED應用都規定了多種電源拓撲