白光LED驅(qū)動(dòng)分析與應(yīng)用

2 各種驅(qū)動(dòng)器優(yōu)缺點(diǎn)比較
對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)方式而言，每種LED驅(qū)動(dòng)都有它的適用范圍，也有它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，搞清楚各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以更好地根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的LED驅(qū)動(dòng)電路，這可以通過效率、工作電壓、噪聲干擾、輸出調(diào)節(jié)、反應(yīng)速度以及安裝尺寸和成本來進(jìn)行比較分析。
2．1 整體效率
線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器的整體效率是比較低的，主要是由于線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器是依靠功率管分去多余的電壓來達(dá)到穩(wěn)壓效果，而這部分功耗是完全無用的，導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)器效率的下降。所以使用線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器時(shí)，應(yīng)盡量減少輸入與輸出電壓差，其實(shí)際轉(zhuǎn)換效率通常在50％～95％之間；由于基本電荷泵其只能倍數(shù)提供輸出電壓，其輸出電壓不能穩(wěn)定在某個(gè)值上，所以通常在電荷泵電路外部連接額外的LDO，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓電荷泵，這樣導(dǎo)致了電荷泵式驅(qū)動(dòng)器效率在本身功率鞘耗的基礎(chǔ)上，額外增加的LDO驅(qū)動(dòng)器的功率消耗，效率通常在70％～85％；電感開關(guān)式驅(qū)動(dòng)器以及基本電荷泵驅(qū)動(dòng)器的損耗主要來自內(nèi)部MOS器件靜態(tài)電流損耗、外部電容以及采樣電阻的功率損耗，其效率可達(dá)80％～90％。
2．2 工作電壓
線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器由于分壓工作原理，只能進(jìn)行降壓輸出，這就決定了它只能工作的輸入電壓高于LED驅(qū)動(dòng)需求電壓的情況下工作；電荷泵驅(qū)動(dòng)器，可進(jìn)行降壓或者升壓，但如果需要進(jìn)行高倍數(shù)或多模式調(diào)節(jié)輸出電壓，則需連接大量的開關(guān)和電容，使得效率大幅降低，所以一般應(yīng)用于過度電壓驅(qū)動(dòng)，即輸入電壓與輸出LED驅(qū)動(dòng)電壓差別不大的情況；電感式開關(guān)驅(qū)動(dòng)器由于利用了磁場(chǎng)儲(chǔ)能，不論是升壓、降壓還是兩者同時(shí)進(jìn)行，只需調(diào)整采樣電阻的比例，就可以進(jìn)行大范圍的輸出電壓調(diào)整，且不會(huì)因輸出調(diào)整改變驅(qū)動(dòng)器效率，所以其應(yīng)用范圍最廣，可廣泛運(yùn)用于各種輸入電壓之下。
2．3 噪聲干擾(EMI)
線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器由于其工作原理是采取分壓方式穩(wěn)定輸出電壓，本身工作不需要電容或電感進(jìn)行穩(wěn)壓操作，MOS管也始終工作在線性狀態(tài)下，不需要進(jìn)行關(guān)斷或開啟操作，所以本身不會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓、電流和電磁干擾；電荷泵由于不采用電感，所以其EMI影響基本可以忽略，在輸出電壓過程中，MOS管需要進(jìn)行開關(guān)操作，所以會(huì)產(chǎn)生一定的電源噪聲，但由于沒有使用電感，所以噪聲較小，可以通過外接一很小的電容消除；電感式開關(guān)驅(qū)動(dòng)器是電源噪聲和EMI的主要來源，由于MOS管的頻繁開關(guān)操作，PWM會(huì)在MOS管開關(guān)的固定頻率內(nèi)產(chǎn)生大的EMI干擾，PFM更是在其頻率的可變范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾，所以供應(yīng)商通常需要采取提高電感式開關(guān)工作頻率的方法，使其EMI落在系統(tǒng)頻帶之外，另外由于電感的原因，MOS管通斷瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的尖峰電流或電壓，輸出電流和電壓也存在相位差。
2．4 輸出調(diào)節(jié)及響應(yīng)速度
線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器可以根據(jù)產(chǎn)品的需要，通過調(diào)整外部采樣電阻的比例，調(diào)整MOS管的分壓，對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，而且其電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度很快；電荷泵驅(qū)動(dòng)器本身不可隨意調(diào)整輸出電壓的數(shù)值，只能通過采樣電壓反饋進(jìn)行倍數(shù)調(diào)節(jié)，通過串接LDO也可進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，但這樣也會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度，響應(yīng)速度較LDO慢，電荷泵對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)在于它可通過簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，進(jìn)行正負(fù)兩種電壓的輸出，面其他兩種驅(qū)動(dòng)方式則需要另外的設(shè)計(jì)電路才能達(dá)到輸出負(fù)值電壓的效果；電感式開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)也只需調(diào)節(jié)采樣電阻的比例，改變控制方波占空比，來調(diào)整輸出電壓，調(diào)整比較簡(jiǎn)便，但由于電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需進(jìn)行多次比較放大，電感的存在也進(jìn)一步減慢了電壓調(diào)整的反應(yīng)速度，所以響應(yīng)速度最慢。
2．5 安裝尺寸及成本
線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，一般只需20～40個(gè)元器件就可組成，成本低，但由于MOS管也一直處于線性區(qū)或飽和區(qū)，發(fā)熱量較大，所以需加裝大的散熱裝置，以保證散熱良好，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。電荷泵電路復(fù)雜程度居中，外接的電容體積也可通過提高開關(guān)頻率而減小，而且現(xiàn)在貼片式電容也得到了很好的應(yīng)用，使得電荷泵集成度大大提高，所需安裝尺寸進(jìn)一步減小。電感式開關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路最為復(fù)雜，成本最高，而且最少需外接一個(gè)電感、電容和肖特基二極管，特別是在需要屏蔽應(yīng)用時(shí)，需另外加裝屏蔽裝置，成本更高，尺寸也更大。附對(duì)照表如表1所示。

3 LED照明實(shí)際電路應(yīng)用
在了解了各種驅(qū)動(dòng)器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)之后，可針對(duì)一些常見的LED照明驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類、歸納總結(jié)。
3．1 鋰電池供電LED驅(qū)動(dòng)
鋰電池電壓通常在2．5～4．5 V之間，通常采用鋰電池供電的都是便攜式設(shè)備，包括移動(dòng)電話、MP4、筆記本電腦等，為了便于攜帶，設(shè)備體積小、重量輕，而且集成度高，較大的電磁干擾會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生影響。根據(jù)便攜式設(shè)備的實(shí)際情況，LED驅(qū)動(dòng)需要達(dá)到以下要求：升壓驅(qū)動(dòng)；占用面積小；電磁干擾?。桓咿D(zhuǎn)換效率。小型設(shè)備LCD照明只需將3～9只LED串并聯(lián)使用，但對(duì)發(fā)光一致性要求高。大型設(shè)備LCD照明通常采取背光模塊的方式。背光模塊已將白光LED光源通過折射、導(dǎo)光以及其他一些工藝技術(shù)來處理光均勻度問題。所以對(duì)于發(fā)光的一致性要求較低。最佳電路結(jié)構(gòu)是采用帶LDO的電荷泵驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式能升壓、占用面積小，且EMI干擾很小。
3．2 蓄電池供電LED驅(qū)動(dòng)
蓄電池電壓通常在12～36 V之間，輸入電壓始終高于LED管壓降，這種情況下只需進(jìn)行降壓操作即可，如太陽能路燈、機(jī)動(dòng)車燈光系統(tǒng)等。這種情況往往對(duì)LED發(fā)光的一致性要求較低；但對(duì)于發(fā)光亮度要求較高，所以常常采用大功率LED，同時(shí)考慮到應(yīng)有盡量高的效率和較低成本，其最佳方案是降壓式電感開關(guān)驅(qū)動(dòng)器。
3．3 市電情況下的普通照明應(yīng)用
市電供電是對(duì)LED照明最有意義的一種供電方式，是決定LED能否真正普及的一種應(yīng)用，所以是LED照明必須研究和解決的重要問題。用市電供電，首要解決的是降壓、整流問題，同時(shí)考慮到LED驅(qū)動(dòng)電源會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，還要解決好電源噪聲、電磁干擾和大功率因數(shù)問題，所以需采取電路隔離的方式，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。對(duì)于中小功率的LED來說，最佳的電路結(jié)構(gòu)是采用隔離式單端反激開關(guān)變換器。由于單端
反激電路輸出功率能力有限，對(duì)于數(shù)百瓦以上的應(yīng)用情況，應(yīng)選用輸出功率更大的橋式開關(guān)變換器。

4 結(jié)語
隨著便攜式設(shè)備的迅速發(fā)展以及市電供電LED照明技術(shù)日益成熟，越來越多的設(shè)備采用了LED照明，對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)芯片的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大?？傊?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/白光">白光LED的用途非常之廣泛，其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，只有針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，采取合理的驅(qū)動(dòng)方式，才能在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)出最穩(wěn)定、最合理的驅(qū)動(dòng)電路。