高效LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理

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(tǒng)電源上的電壓環(huán)路簡(jiǎn)單。環(huán)路的復(fù)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)。

圖8　電位輸出濾波器設(shè)置

　　為每一個(gè)功率級(jí)都構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的P-Spice模型，以闡明每一功率級(jí)控制特性的區(qū)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(duì)電流進(jìn)行感測(cè)。在電路A中，該響應(yīng)來(lái)自穩(wěn)定的一階系統(tǒng)。DC增益由電壓控制的電壓源確定，LED電阻和電流感測(cè)電阻構(gòu)成了分壓器，系統(tǒng)的極性由輸出電感和電路電阻決定，補(bǔ)償電路則由類(lèi)型2放大器構(gòu)成。電路B由于增加了輸出電容，因此有二階響應(yīng)。若LED的紋波電流過(guò)大并達(dá)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(xiàn)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(duì)復(fù)極點(diǎn)。
　　濾波器的總相移為180.若沒(méi)有很好地設(shè)計(jì)補(bǔ)償電流，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。補(bǔ)償電流的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電壓模式電源類(lèi)似，傳統(tǒng)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(bǔ)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(duì)輸出電容進(jìn)行重定位，以便更容易對(duì)電路進(jìn)行補(bǔ)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(cè)電阻R105。因此，在計(jì)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(duì)極點(diǎn)，并且其補(bǔ)償設(shè)計(jì)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(cè)電阻確定;另一個(gè)則由電流感測(cè)電阻和輸出電感確定。在高頻率時(shí)，其響應(yīng)與電路A一樣。
　　通常需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光。例如，需要調(diào)節(jié)顯示器或建筑照明的亮度。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)有兩種方法：降低LED的電流，或快速對(duì)LED進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。更有效率的方法是降低電流，因?yàn)楣廨敵霾⒉煌耆c電流呈線性關(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(duì)亮度的感知是指數(shù)型的，因此，調(diào)光可能需要對(duì)電流進(jìn)行很大更改，這會(huì)對(duì)電路設(shè)計(jì)造成很大的影響。考慮到電路的容差，滿電流值工作時(shí)，3%的調(diào)節(jié)誤差可以造成10%負(fù)載時(shí)的30%或更高的誤差。通過(guò)電流波形的脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行調(diào)光更為準(zhǔn)確，盡管這種方法存在響應(yīng)速度問(wèn)題。在照明和顯示器應(yīng)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(jí)內(nèi)，并要求電源的帶寬大于10kHz，此項(xiàng)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(diào)光功能的降壓功率級(jí)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(xiàn)了極快的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖9　Q1用于PWM LED電流

結(jié)語(yǔ)

　　雖然LED的應(yīng)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(yīng)用。車(chē)載電氣系統(tǒng)對(duì)電源質(zhì)量要求很高，因此，必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路，以避免在電壓超過(guò)60V時(shí)出現(xiàn)“拋負(fù)載”現(xiàn)象。建筑LED的電源設(shè)計(jì)問(wèn)題也很多，需要進(jìn)行功率因數(shù)矯正，以及對(duì)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(yīng)、良好的電流控制，以及完美的開(kāi)關(guān)控制，這些都給設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)。