基于高亮度LED驅動器的設計優(yōu)化

在各種不同類型的光源中，高亮度LED(發(fā)光二極管)目前增長勢頭良好，正開始替代白熾燈、鹵素燈、熒光燈、HID氙氣燈等其它種類的光源。過去，由于受到光線輸出的限制，LED只適用于儀器發(fā)光。近年來，高亮度LED(HBLED)開始用于建筑照明、裝飾照明，以及標識牌照明等。HBLED亦成為CCFL(冷陰極熒光燈)光源的有力替代品，用作液晶電視和顯示器的背光照明。隨著HBLED技術的不斷發(fā)展，HBLED發(fā)光效率可以達到35至50lm/W(流明/瓦)，已經超過了白熾燈和鹵素燈，并可以與熒光燈相媲美。如果HBLED技術進一步改善，發(fā)光效率將高達100lm/W，從而超過熒光燈，并最終與HID燈一決高下。

應當指出，HBLED可以非常容易地實現全范圍內的調光，而熒光燈的調光不僅困難，成本也高，且當光輸出低于50%時不能調光。

HBLED的顏色、尺寸和額定功率各不相同。不同型號之間的電氣特性(尤其是正向壓降)差異較大;不同批次產品之間也有著很大不同，因而公差范圍很寬。此外，正向壓降的負溫度系數也增加了為具體應用確定一款合適電源的難度。當前市場上出售的HBLED驅動電源大部分只是提供恒定電壓。這種方法雖然直觀上來講易于被非技術用戶所理解，但實際上增加了系統(tǒng)的局限性，同時降低了效率。

HBLED根據電流而不是電壓確定等級。例如，一個HBLED系列會包含多個型號，具有不同的顏色和正向壓降，但額定電流卻完全一致，如350mA或700mA。除了單只銷售以外，HBLED還廣泛以包含多支相連發(fā)光管的面板形式出售。

串聯HBLED電路中每只LED電流相同，不過正向壓降不同(其值位于4V區(qū)間內)，因此一串HBLED的累積電壓會迅速增加。為防止面板的供電電壓超過預期值，一般面板同時采用串聯與并聯LED網絡。例如，LumiledsFlood面板上有12支LED接成6個并聯LED對，如圖1所示。

在上述情況中，制造商將HBLED接為并聯對。由于它們的正向壓降表現為負溫度系數，為防止其中一只LED比另一只導入更多電流，必須在生產時進行精確匹配。不幸的是，即使少量失配也會在工作中產生巨大影響，因為如果一只LED與另外一只相比正向壓偏低，其導入電流就會略高，溫度上升也會較快，因此正向壓降降低的速率將高于另一只，從而進一步加劇不平衡。即使制造商成功選擇了匹配的二極管，但由于六對相互串聯，每一對的正向壓降也各不相同。這種情況下，整個面板的總電壓為單只HBLED正向壓降的六倍。該面板目前有六種不同顏色可供選擇，正向壓降在17V至21V之間。此外，公差相比之下也較大，如白光面板的電壓范圍為16到24V。電壓的溫度系數為-12mV⁄攝氏度，也就是說如果在25度室溫下面板的電壓為17V，那么在溫度為50度時電壓將為16。7V。與此同時，無論在何種情況下，面板的額定電流都保持在700mA。

目前市場上出售的HBLED電源顯然無法為上述LED陣列提供電能，除非增加一個串聯限流電阻。增加這個電阻后額定17V的面板可以在24V定壓與700mA電流下正常工作，同時卻會產生(24-17)×0。7=0。49W的不必要散熱能耗。這有悖于節(jié)能照明的精神。另外，限流電阻也不是非常精確。當用一個24V電源以700mA為一個17V面板供電時，可以計算出電阻值為：(24-17)/0。7=10W。然而，如果面板電壓只有16V，則供電電流變?yōu)?24-16)/10=800mA，遠高于額定電流，會導致面板上LED的過驅動，降低使用壽命。另一方面，如果面板電壓為18V，則電流為(24-18)/10=600mA，導致光輸出明顯減弱。毫無疑問，在正向電壓隨溫度變化的效應下，恒壓方案表現出明顯的缺陷，驅動HBLED顯然需要恒流電源。

國際整流器公司最近推出了IRS2540控制IC，采用降壓轉換器結構設計，可在很寬的輸入電壓和輸出負載條件下提供穩(wěn)定的已調整電流源，適用于多種不需要隔離的應用，比如電源已經隔離，或類似交通信號燈等HBLED被封裝在2級外殼中外界無法接觸的裝置。應該指出的是，在建筑照明中，熒光燈或HID燈的電子鎮(zhèn)流器與交流線之間一般也不存在電流隔離。

Buck電路結構只適用于輸入電壓高于輸出電壓的應用情況，比如大多數的標志牌、裝飾和建筑應用場合。HBLED最常見的故障是短路，在串聯工作方式下，當一支LED出現故障時，所有其它LED仍會正常工作。但在并聯結構中，一支LED短路會導致所有其它LED熄滅。如圖1所示，如果陣列中一支HBLED出現短路故障，與其成對的另一只LED將不再工作，而其它LED仍能正常發(fā)光。

圖1典型的12支HBLED面板

基于IRS2540的Buck轉換器采用獨有的高側驅動器，可連續(xù)監(jiān)控負載電流，并通過時間延遲滯后控制法，精確地調節(jié)電流，該方法已獲得專利。

圖2IRS2540LED轉換器

LED能夠從DC總線或直接從整流后的交流線上獲得電能，因此整個系統(tǒng)顯得非常簡單靈活。無論Buck穩(wěn)壓器開關處于ON還是OFF狀態(tài)，懸浮的高側驅動器都可以確保IRS2540探測LED的負載電流，從而提供優(yōu)勢明顯的平均電流控制功能。與此相反，其它系統(tǒng)只能在ON期間探測電流，只能采用峰值電流控制。由于平均電流控制器不僅僅在ON期間，同時也可以在OFF期間進行調節(jié)，從而能夠在更寬的線路和負載范圍上工作而不會超出設計極限，因此自身具有穩(wěn)定調節(jié)的特點。

圖3IRS2540平均電流控制

優(yōu)點：簡單的設計理念就能實現非常精確的電流控制，且自身具有穩(wěn)定性，不需要復雜的電路分析。

由于LED負載需要最小紋波的直流電流，因此無論是峰值電流模式控制還是平均電流模式控制，都采用在連續(xù)導通模式下工作的恒流驅動器。

在IRS2540例子中，必須注意限制硬切換過程中的應力，即包含在負載電流超過或低于基準電平的時間以及Buck開關狀態(tài)改變時間之間的定義延遲。這一延遲與負載電流(IFB)的dI/dT相結合部分決定了系統(tǒng)運行時的頻率與占空比，同時頻率與占空比還進一步取決定于Buck電感、輸出電容值以及轉換器的輸入、輸出電壓值。