根據應用需要選擇LED驅動器拓撲結構

發(fā)光二極管 (HB- led) 在每封裝流明輸出和光效 (efficacy ,單位為流明 / 瓦或 lm/W) 方面的性能快速提升。商用的 1 W LED 已提供有冷色溫 LED( 色溫 5000K) 的每封裝流明輸出超過 100 流明,光效達 100 lm/W ,而相同功率等級的暖色溫白光 LED( 色溫 3000 至 3500K) 也超過了 70 到 80 流明。與兩年前相比,這些性能等級提高了 30-40% 。有了這樣的性能, LED 如今正逐步發(fā)展成為眾多高性能應用中傳統白熾燈、鹵素燈和熒光燈的切實可行的替代光源。因此,固態(tài) 照明 (SSL) 相當多地滲入到了汽車、商業(yè)和景觀照明,以及城市街道照明之中。 LED 還能用于新應用,如基于實際太陽能板的遠程照明,因為這很 容易藉可充電 電池產生 LED 所要求的直流驅動電流。此外,恰當設計的話, LED 燈具的工作壽命可達 3 萬至 5 萬小時,因而顯著降低替代燈泡方面常見的維護成本。

　　然而,就控制及驅動這些 LED 而言,在使用的方面存在不少矛盾之處。例如,許多照明系統設計所使用或修改的已有電源方案并沒有充分顧及 HB-LED 的獨特驅動要求。如果設計人員要優(yōu)化 LED 照明所能提供的優(yōu)勢,必須仔細考慮驅動及控制這些器件所使用的技術,從而提供高能效及高性價比的方案。

　　HB-LED 照明系統的主要組件包括 LED 發(fā)射器、電源轉換、控制及驅動、熱管理,以及眾多應用中會涉及到的光學組件。如果不充分考慮所有這些組件,相應的 LED 照明系統就不太可能得到優(yōu)化。 LED 與大多數燈泡不一樣,是帶有指向性的光源,故在諸多應用中,使用鏡頭、反射鏡或擴散板來提供所需的發(fā)光圖案以及燈具的照明外觀至關重要。同樣,如果不恰當處理熱管理問題,照明系統的工作壽命也會大幅縮短,從而沖抵使用長壽命 LED 的主要優(yōu)勢。電源和驅動方面對照明系統的長期工作同等重要。 HB-LED 照明設計中的供電電壓源取決于所投入應用的類型。就建筑物及室內照明而言,電壓源通常是交流主電源。戶外照明可能采用寬泛穩(wěn)壓的電源,如低壓交流電源、帶備用電池的太陽能板或交流主電源。在汽車應用中,電源通常是鉛酸電池 (12 Vdc ) 。

　　如果沒有某種形式的電源轉換,應當避免使用電壓源來驅動 LED 發(fā)射器,這是由于正常的電壓波動會造成 LED 電流大幅變化,因為 LED 的電壓 / 電流 (V/I) 曲線非常陡峭;在不同驅動電流、溫度和生產 ( 不同批次 ) 差異條件下, LED 正向電壓變化范圍較寬。此外,出于安全因素,大多數交流主電源應用都有基于電子開關電源或磁變壓器的隔離電源轉換,將高線路電壓轉換為適合驅動 LED 的安全低電壓。

　　LED 驅動電路的其中一項主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流,而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅動電路必須符合能效、電容容限、外形因數、成本及安全性方面的應用要求。與此同時,所選的方法必須易用及足夠強固,從而適應特定應用的極端環(huán)境。有幾種不同的穩(wěn)流方法。

　　采用固定電壓電源供電的電阻是最簡單、最低成本的穩(wěn)流方法。實際上,它們并不穩(wěn)流,只是在 LED 正向電壓變化及源電壓變化并導致電流變化從而引起亮度變異時,簡單地限制最大電流。對于低電流指示器應用而言,這可能可以接受,但隨著電流增大及串聯的 LED 數量增加,就變得有問題了。要克服這個問題,需要費錢又費時地對 LED 進行編碼及選擇恰當的電阻來匹配 LED 串正向電壓。即使采取這些步驟,仍然會有由輸入電壓變化導致的亮度變化問題。

　　另一種穩(wěn)流方法選擇是恒流線性穩(wěn)壓器 (CCR) 。它們易于設計,能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性,如高溫時電流反走及調光控制。 CCR 可以涵蓋簡單的雙端穩(wěn)壓器到靈活的可調節(jié)電流設定點線性穩(wěn)壓器集成電路。 CCR 的主要局限是輸入電壓源必須永遠高于輸出正向電壓以恰當工作,而且它們可能能效較低,熱耗散較高。后一點 ( 即熱耗散 ) 是 LED 驅動電流、輸入電源變化及正向電壓變化的直接函數。

　　因此,在設計及選擇過程中,封裝及總體散熱能力是關鍵考慮因素。通常線性驅動器能并行配置以擴散熱耗散,或者必須裝配在有散熱能力的封裝內。安森美半導體的 NSI45030 是一款 CCR 示例,這器件穩(wěn)流電平為 30 mA ,是將 CAT4201 采用緊湊型雙端 SOD123 封裝而成的器件; CAT4201 能支持高達 1 A 電流,具有調光控制接口,采用 D2PAK 封裝,能夠耗散大量功率。

　　圖 1 ：并行配置 30mA NSI45030 恒流穩(wěn)壓器以提高電流能力示例

　　出于能效因素及靈活性,開關穩(wěn)壓器被廣泛使用。這種方法成本較高,技術也較復雜,但能提供顯著優(yōu)勢,如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關系,且根據輸入 / 輸出條件,能效能夠高于 90% 。與線性穩(wěn)壓器不同,它們對電磁干擾 (EMI) 很敏感,給設計人員帶來另一項需要注意的設計約束。對于中到大功率應用或涉及寬輸入電壓范圍的應用而言,開關穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇;且許多應用中優(yōu)化了開關穩(wěn)壓器型 LED 驅動器,從而應用 LED 調光控制。

　　由于 LED 發(fā)射的光與通過 LED 的平均電流成正比, CCR 同樣也提供調節(jié)光輸出的能力。通過模擬或數字脈寬調制 (PWM) 技術提供調光。模擬方法注入模擬信號至反饋電壓,從而使平均輸出電流減小。數字方法使用輸入 PWM 信號來抑制穩(wěn)壓器的開關,并降低平均輸出電流。典型調光頻率介于 200 Hz 與 1,000 Hz 之間,因為人眼不能察覺頻率高于 100 Hz 時的細微變化。

　　三種基本的驅動器 / 穩(wěn)壓器拓撲結構分別是降壓、升壓、降壓 - 升壓 ( 又稱為單端初級電感轉換,簡稱 SEPIC) 。在降壓電路中,最低輸入電壓 (Vin) 在所有工作條件下永遠高于 LED 串的最大電壓,而在最大輸入電壓始終低于 LED 串最小電壓時使用升壓電路。由于恒流驅動器的升壓拓撲結構屬性,它要求額外的電路,用于 LED 開路及輸出短路保護。圖 1 顯示了典型的 LED 降壓配置。注意跟傳統降壓架構不同,這配置中開關接地參考, LED 串是浮接 (floating) 的。這拓撲結構基于專利的臨界導電模式 ( CrM ) 降壓架構,即使沒有直接感測到流過 LED 串的電流,也會對 LED 平均電流進行穩(wěn)流。

　　圖 2 ： CAT4201 高集成度 350 mA LED 降壓驅動器,可以驅動多達 7 顆 LED