為不同 DC-DC LED 照明應用選擇適合的開關驅動器方案

高亮度LED的應用領域越來越廣。要使LED照明系統能夠提供期望的長壽命等優(yōu)勢，必須選擇恰當的LED驅動方案。就LED建筑物及室內照明應用而言，輸入電源通常是交流(AC)主電源。而景觀照明、低壓道路照明、太陽能供電照明等戶外照明應用，以及汽車照明、應急車輛照明、船舶應用及飛機內部照明等應用，則可能采用離線交流適配器、密封鉛酸電池及12V直流(DC)和12V AC電源等輸入電源，電壓一般都低于40V。這些LED照明應用中，某些輸入電源的穩(wěn)壓精度較低，如汽車或太陽能供電、船舶應用中的鉛酸電池的電壓范圍可能在直流8至超過14V之間，汽車應用中電壓范圍甚至為更寬的7～27V。這就要求LED驅動器能夠在寬輸入電壓范圍內工作，并能配置為不同拓撲結構，配合負載要求。

典型DC/DC LED驅動方案比較
LED驅動方案的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。驅動方案必須符合能效、外形因數、成本及安全性方面的應用要求。同時，所選方案必須易用及足夠強固，從而適應特定應用的嚴格環(huán)境。

典型DC/DC LED驅動方案包括電阻、恒流穩(wěn)流器(CCR)、線性驅動器及開關驅動器等。電阻是最簡單、最低成本的LED穩(wěn)流方案。但實際上它們并不“穩(wěn)流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導致電流變化從而引起LED亮度變異時，簡單地限制LED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。

CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅動器或開關驅動器的方案，適合于電流小于200mA的低電流LED照明應用。CCR易于設計，能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性。CCR的主要局限是輸入電壓必須始終高于輸出正向電壓以恰當工作，而且它們能效較低，熱耗散較高。

線性驅動器支持多條線路并行配置以擴散熱耗散，提供達±2%的穩(wěn)流精度，無電磁干擾(EMI)問題，成本中等，但能效也較低。

憑借高能效及靈活等優(yōu)勢，開關驅動器廣泛使用。這種方案成本更高，技術更復雜，但也提供顯著優(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%。與線性驅動器不同，它們對EMI很敏感，給設計人員帶來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。

LED開關驅動器拓撲結構
根據輸入電壓與輸出電壓之間的關系，我們可將LED DC/DC開關驅動器/穩(wěn)壓器的拓撲結構分為降壓、升壓及降壓-升壓等不同類型，并相應作簡要分析。

降壓：適合于所有工作條件下最小輸入電壓始終高于LED串最大電壓的應用(見圖1a)。例如，以12V電源驅動單顆功率為1W的LED時，使用這種拓撲結構。

圖1 典型DC/DC LED開關驅動器拓撲結構

這種拓撲結構的原理是：開關導通時，輸入電壓通過電感向負載供電，同時也向輸出電容充電。這個過程中，電感及輸出電容儲存能量。開關關斷時，儲存在電感中的電流不能突變，電感通過自感產生右正、左負的脈沖電壓，這時電感、輸出電容及續(xù)流二極管構成放電回路，回路電流繼續(xù)在電容兩端建立直流電壓，并由此直流電壓為負載供電。從能量關系可以看出，這種情況下輸出電壓始終低于輸入電壓，提供降壓效果。

升壓：適合于所有工作條件下最大輸入電壓始終低于LED串最小電壓時的應用。例如，以5V電源驅動6顆LED時，使用這種拓撲結構(見圖1b)。

這種拓撲結構的原理是：閉合導通時，通過電感的電流增加，在電感中積累能量；開關關斷時，電感電流通過二極管流向輸出電容。由于儲存來自電感的電流，多個開關周期后，輸出電容的電壓升高，結果輸出電壓就高于輸入電壓，從而提供升壓效果。

降壓-升壓，或單端初級電感轉換器(SEPIC)：適合于輸入電壓與輸出電壓有交迭的應用。如以12V汽車電池驅動4顆LED時，可使用這種拓撲結構(見圖1c)。

這種拓撲結構的原理非常簡單。開關處于導通狀態(tài)時，輸入電壓直接連接至電感，從而在電感中積聚能量。在這個階段，電容C為輸出負載提供能量。開關處于關閉狀態(tài)時，電感通過續(xù)流二極管連接至輸出負載及電容，從而傳輸能量給負載。這是一種反向(inverting)輸出，負輸出連接至LED的陽極，而正輸出連接至LED的陰極。這種拓撲結構可以提供眾多優(yōu)勢，如提供更高能效、更小外形因數及更低成本等。

不同拓撲結構的LED DC/DC開關驅動器方案及其應用
1 降壓驅動器方案
典型LED DC/DC降壓應用有如在線槽燈、書架燈及展示柜燈等中使用的高亮度模塊化燈條，一般每條(11.5×1英寸)4顆LED，根據顏色的不同，光效為23～47lm/W，電壓為23～25V。

圖2 不同LED DC-DC降壓驅動器方案