LED的高效驅動(dòng)

　　引言

　　隨著(zhù)生產(chǎn)成本的降低，LED的應用范圍越來(lái)越廣，包括手持終端設備、車(chē)載以及建筑照明。高可靠性、極佳的效率以及瞬態(tài)響應能力使得它們成為很好的光源。盡管白熾燈泡的成本很低，但是多次更換白熾燈泡也將是一筆很大的開(kāi)銷(xiāo)。路燈就是個(gè)很好的例子，完成此項工作需要一組工作人員及一輛卡車(chē)對故障燈泡進(jìn)行更換。因此，在此類(lèi)應用中，使用 LED 可以大大降低成本。雖然 LED 和白熾燈泡的效率幾乎相同，但在路燈應用中，有時(shí)會(huì )因為一些原因，用 LED 代替白熾燈泡，這樣不但可以提高可靠性，而且還能節省能源。

　　白熾燈泡可以發(fā)出各種各樣的光線(xiàn)，但是在具體的應用中，通常只需要綠色、紅色以及黃色光線(xiàn)——例如交通信號燈。若要使用白熾燈泡，則需要一個(gè)濾波器，這會(huì )浪費掉 60% 的光能，而 LED 則可以直接產(chǎn)生所需顏色的光線(xiàn)，并且在上電時(shí)，LED 幾乎是瞬間發(fā)光，而白熾燈則需要 200ms的響應時(shí)間。因此，在剎車(chē)燈設計中采用了 LED。另外，LED 將作為光源在 DLP 視頻應用中使用，以替代機械匯編 (mechanical assembly)，其可進(jìn)行高頻率的切換。

　　LED的I-V 特性

　　圖 1 顯示了典型 InGaAlP LED(黃色和琥珀紅)的正向電壓特性。也可以把 LED 作為電壓源與電阻串聯(lián)建模，并查看模型與實(shí)際測量之間的良好關(guān)聯(lián)性。電壓源有一個(gè)負的溫度系數，當結溫上升時(shí)，電壓源的正向電壓會(huì )發(fā)生負的變化。InGaAlP LED的系數在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之間，而 InGaN LED(藍色、綠色和白色)的系數則在-3.6mV/K~-5.2mV/K 之間。這就是為什么不能直接對 LED 進(jìn)行并聯(lián)的原因。產(chǎn)生熱量最多的器件需要更大的電流，更大的電流會(huì )產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而引起散熱失控。

　　圖1 LED作為電阻與電壓源串聯(lián)建模

　　圖2顯示了作為工作電流函數的相對光輸出(光通量)。很明顯，光輸出與二極管電流是密切相關(guān)的，因此，可以通過(guò)改變正向電流進(jìn)行調光。并且，在電流較小時(shí)，曲線(xiàn)幾乎是一條直線(xiàn)，但是在電流增大時(shí)，其斜率變小了。這就是說(shuō)，在電流較低的時(shí)候，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會(huì )增加一倍;但是電流較高的時(shí)候，情況就不是這樣了：電流上升 100% 僅能使光輸出量增加 80%。這一點(diǎn)很重要，因為 LED 是由開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)的，這會(huì )導致在 LED 中產(chǎn)生相當大的紋波電流。實(shí)際上，電源的成本在某種程度上是由所允許的電流大小決定的，紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會(huì )因此受到影響。

　　圖2 電流超過(guò) 1A以上，LED效率就會(huì )降低

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　　圖3量化顯示了疊加于 DC 輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出的減少。在絕大多數情況下，該紋波電流的頻率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼對光線(xiàn)的響應是指數式的，不能察覺(jué)出小于 20% 的光線(xiàn)減弱。因此，即使 LED 中出現相當大的紋波電流，也不會(huì )察覺(jué)出光輸出的減少。

　　圖3 紋波電流對LED光輸出的輕微影響

　　紋波電流也通過(guò)提高功耗而影響 LED 性能，這可能導致結溫升高，并對 LED 的使用壽命產(chǎn)生重大影響。

　　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

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　　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。

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　　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

　　關(guān)閉控制環(huán)路

　　關(guān)閉 LED 電源上的電流環(huán)路比關(guān)閉傳統電源上的電壓環(huán)路簡(jiǎn)單。環(huán)路的復雜性取決于輸出濾波器的配置。圖8顯示了三種可能的配置：只有一個(gè)簡(jiǎn)單電感器的濾波器(A);一個(gè)典型的電源濾波器(B);以及一個(gè)修正后的濾波器(C)。

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　　圖8 電位輸出濾波器設置

　　為每一個(gè)功率級都構建一個(gè)簡(jiǎn)單的P-Spice模型，以闡明每一功率級控制特性的區別。降壓功率FET和二極管的切換建模為電壓控制的電壓源，增益為10dB，而LED則建模為與6V電壓源串聯(lián)的3W電阻。在LED和接地之間添加了一個(gè)1W的電阻，用于對電流進(jìn)行感測。在電路A中，該響應來(lái)自穩定的一階系統。DC增益由電壓控制的電壓源確定，LED電阻和電流感測電阻構成了分壓器，系統的極性由輸出電感和電路電阻決定，補償電路則由類(lèi)型2放大器構成。電路 B 由于增加了輸出電容，因此有二階響應。若 LED 的紋波電流過(guò)大并達到難以接受的程度，則可能要求該輸出電容工作，這是由于 EMI 或熱量等問(wèn)題的出現造成的。DC 增益與第一個(gè)電路一樣。不過(guò)，在輸出電感和電容確定的頻率處有一對復極點(diǎn)。

　　濾波器的總相移為180.若沒(méi)有很好地設計補償電流，可能會(huì )導致系統不穩定。補償電流的設計與傳統電壓模式電源類(lèi)似，傳統電壓模式電源要求有一個(gè)類(lèi)型3的放大器。與電路 A 相比，補償電路增加了兩個(gè)組件以及一個(gè)輸出電容。在電路 3 中對輸出電容進(jìn)行重定位，以便更容易對電路進(jìn)行補償。LED 的紋波電壓與電路 B 類(lèi)似，所不同的是，電感的紋波電流流過(guò)電流感測電阻 R105。因此，在計算功耗時(shí)也要考慮到這一部分。該電路有一個(gè)零點(diǎn)，一對極點(diǎn)，并且其補償設計與電路 A 一樣簡(jiǎn)單，DC 增益也與前兩個(gè)電路相同。該電路的電容和 LED 串聯(lián)電阻引入了一個(gè)零點(diǎn)，并擁有兩個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)由輸出電容和電流感測電阻確定;另一個(gè)則由電流感測電阻和輸出電感確定。在高頻率時(shí)，其響應與電路 A 一樣。

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　　調光

　　通常需要對 LED 進(jìn)行調光。例如，需要調節顯示器或建筑照明的亮度。實(shí)現上述目標有兩種方法：降低 LED 的電流，或快速對 LED 進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。更有效率的方法是降低電流，因為光輸出并不完全與電流呈線(xiàn)性關(guān)系，并且，LED 的色譜在電流小于額定值時(shí)會(huì )發(fā)生變化。人們對亮度的感知是指數型的，因此，調光可能需要對電流進(jìn)行很大更改，這會(huì )對電路設計造成很大的影響?？紤]到電路的容差，滿(mǎn)電流值工作時(shí)，3%的調節誤差可以造成10%負載時(shí)的30%或更高的誤差。通過(guò)電流波形的脈寬調制 (PWM) 進(jìn)行調光更為準確，盡管這種方法存在響應速度問(wèn)題。在照明和顯示器應用上，PWM頻率高于 100Hz，以使肉眼感覺(jué)不到閃爍。10% 的脈沖寬度在ms量級內，并要求電源的帶寬大于 10kHz，此項工作可以通過(guò)圖8(A 與 C)中簡(jiǎn)單的環(huán)路完成。圖9為帶 PWM 調光功能的降壓功率級電路。在本例中，LED 輕松地閉合/斷開(kāi)電路。通過(guò)這種方式，控制環(huán)路總是處于激活狀態(tài)，并實(shí)現了極快的瞬態(tài)響應。

　　圖9 Q1 用于PWM LED電流

　　結語(yǔ)

　　雖然 LED 的應用日益流行，但還有許多電源管理問(wèn)題亟待解決。在需要高度可靠性和安全性的車(chē)載市場(chǎng)上，LED 器件得到了廣泛的應用。車(chē)載電氣系統對電源質(zhì)量要求很高，因此，必須設計保護電路，以避免在電壓超過(guò) 60V 時(shí)出現“拋負載”現象。建筑 LED 的電源設計問(wèn)題也很多，需要進(jìn)行功率因數矯正，以及對電流和亮度的控制。另外，LED 正被集成于投影和電視等產(chǎn)品中，此類(lèi)產(chǎn)品要求快速的響應、良好的電流控制，以及完美的開(kāi)關(guān)控制，這些都給設計人員提出了新的挑戰?！?/P>