LED照明電源電路拓撲結(jié)構(gòu)設計詳解 —電路圖天天讀（215）

　　大多數(shù)的LED驅(qū)動電路都屬于下列拓撲類型：降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC和反激式拓撲。除這些拓撲之外，還可使用簡易的限流電阻器或線性穩(wěn)壓器來驅(qū)動LED，但是此類方法通常會浪費過多功率。所有相關(guān)的設計參數(shù)包括輸入電壓范圍、驅(qū)動的LED數(shù)量、LED電流、隔離、EMI抑制以及效率。降壓穩(wěn)壓器適用于輸出電壓總小于輸入電壓的情形。降壓穩(wěn)壓器會通過改變MOSFET的開啟時間來控制電流進入LED。電流感應可通過測量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應與LED串聯(lián)。對該方法來說，重要的設計難題是如何驅(qū)動 MOSFET。從性價比的角度來說，推薦使用需要浮動柵極驅(qū)動的N通道場效應晶體管（FET）。這需要一個驅(qū)動變壓器或浮動驅(qū)動電路（其可用于維持內(nèi)部電壓高于輸入電壓）。

　　備選的降壓穩(wěn)壓器。在此電路中，MOSFET對接地進行驅(qū)動，從而大大降低了驅(qū)動電路要求。該電路可選擇通過監(jiān)測FET電流或與LED串聯(lián)的電流感應電阻來感應LED電流。后者需要一個電平移位電路來獲得電源接地的信息，但這會使簡單的設計復雜化。另外，圖1中還顯示了一個升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可在輸出電壓總是大于輸入電壓時使用。由于MOSFET對接地進行驅(qū)動并且電流感應電阻也采用接地參考，因此此類拓撲設計起來就很容易。該電路的一個不足之處是在短路期間，通過電感器的電流會毫無限制。您可以通過保險絲或電子斷路器的形式來增加故障保護。此外，某些更為復雜的拓撲也可提供此類保護。

　　顯示了兩款降壓-升壓型電路，該電路可在輸入電壓和輸出電壓相比時高時低時使用。兩者具有相同的折衷特性（其中折衷可在有關(guān)電流感應電阻和柵極驅(qū)動位置的兩個降壓型拓撲中顯現(xiàn)）。圖2中的降壓-升壓型拓撲顯示了一個接地參考的柵極驅(qū)動。它需要一個電平移位的電流感應信號，但是該反向降壓-升壓型電路具有一個接地參考的電流感應和電平移位的柵極驅(qū)動。如果控制IC與負輸出有關(guān)，并且電流感應電阻和LED可交換，那么該反向降壓-升壓型電路就能以非常有用的方式進行配置。適當?shù)目刂艻C，就能直接測量輸出電流，并且MOSFET也可被直接驅(qū)動。

　　該降壓-升壓方法的一個缺陷是電流相當高。例如，當輸入和輸出電壓相同時，電感和電源開關(guān)電流則為輸出電流的兩倍。這會對效率和功耗產(chǎn)生負面的影響。在許多情況下，圖3中的“降壓或升壓型”拓撲將緩和這些問題。在該電路中，降壓功率級之后是一個升壓。如果輸入電壓高于輸出電壓，則在升壓級剛好通電時，降壓級會進行電壓調(diào)節(jié)。如果輸入電壓小于輸出電壓，則升壓級會進行調(diào)節(jié)而降壓級則通電。通常要為升壓和降壓操作預留一些重疊，因此從一個模型轉(zhuǎn)到另一模型時就不存在靜帶。

　　當輸入和輸出電壓幾乎相等時，該電路的好處是開關(guān)和電感器電流也近乎等同于輸出電流。電感紋波電流也趨向于變小。即使該電路中有四個電源開關(guān)，通常效率也會得到顯著的提高，在電池應用中這一點至關(guān)重要。圖3中還顯示了SEPIC拓撲，此類拓撲要求較少的FET，但需要更多的無源組件。其好處是簡單的接地參考FET驅(qū)動器和控制電路。此外，可將雙電感組合到單一的耦合電感中，從而節(jié)省空間和成本。但是像降壓-升壓拓撲一樣，它具有比“降壓或升壓”和脈動輸出電流更高的開關(guān)電流，這就要求電容器可通過更大的RMS電流。

　　出于安全考慮，可能規(guī)定在離線電壓和輸出電壓之間使用隔離。在此應用中，最具性價比的解決方案是反激式轉(zhuǎn)換器（請參見圖4）。它要求所有隔離拓撲的組件數(shù)最少。變壓器匝比可設計為降壓、升壓或降壓-升壓輸出電壓，這樣就提供了極大的設計靈活性。但其缺點是電源變壓器通常為定制組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中存在很高的組件應力。在穩(wěn)定照明應用中，可通過使用一個“慢速”反饋控制環(huán)路（可調(diào)節(jié)與輸入電壓同相的LED電流）來實現(xiàn)功率因數(shù)校正 （PFC）功能。通過調(diào)節(jié)所需的平均LED電流以及與輸入電壓同相的輸入電流，即可獲得較高的功率因數(shù)。

　　需要對LED進行調(diào)光是一件很平常的事。例如，可能需要調(diào)節(jié)顯示屏或調(diào)節(jié)建筑燈的亮度。實現(xiàn)此操作的方式有兩種：即降低LED電流或快速打開LED再關(guān)閉，然后使眼睛最終得到平衡。因為光輸出并非完全與電流呈線性關(guān)系，因此降低電流的方法效率最低。此外，LED色譜通常會在電流低于額定值時發(fā)生改變。請記?。喝藢α炼鹊母兄芍笖?shù)倍增，因此調(diào)光就需要電流出現(xiàn)更大的百分比變動。因為在全電流下，3%的調(diào)節(jié)誤差由于電路容差緣故可在10%的負載下放大成 30%甚至更大的誤差，因此這會對電路設計產(chǎn)生重大的影響。盡管存在響應速度問題，但通過脈寬調(diào)制（PWM）來調(diào)節(jié)電流仍更為精確。當照明和顯示時，需要 100Hz以上的PWM才能使人眼不會察覺到閃爍。10%的脈沖寬度處于毫秒范圍內(nèi)，并且要求電源具有高于10kHz以上的帶寬。

　　編輯點評：在許多應用中使用LED正變得日益普遍，各種電源拓撲來為這些應用提供支持。通常輸入電壓、輸出電壓和隔離需求將規(guī)定正確的選擇，在輸入電壓與輸出電壓相比總是時高時低時，采用降壓或升壓可能是顯而易見的選擇。但是，當輸入和輸出電壓的關(guān)系并非如此受抑制時，該選擇就變的更加困難，需要權(quán)衡許多因素，其中包括效率、成本和可靠性。

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