基于升降壓轉(zhuǎn)換器的LED照明驅(qū)動器設(shè)計

因此，更好的做法是將led串聯(lián)起來。但該方法的缺點是，如果一個led 出現(xiàn)故障，則整個led串將停止工作。讓剩下的led串繼續(xù)工作的一個簡單辦法是將一個齊納二極管(其額定電壓大于led的最高電壓)與每個(或每組)led并聯(lián)，如圖1(b)所示。這樣，任何一個led發(fā)生故障后，其電流都會流到相應(yīng)的齊納二極管上，led串的其余部分仍可正常工作。

基本的單階開關(guān)轉(zhuǎn)換器可分為三類：降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和升降壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)led串的電壓低于輸入電壓時，降壓轉(zhuǎn)換器圖2(a)是理想的選擇；當(dāng)輸入電壓總是低于串輸出電壓時，則使用升壓轉(zhuǎn)換器比較合適圖2(b)；當(dāng)輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時(由輸出或輸入變化引起)，則采用升降壓轉(zhuǎn)換器圖2(c)比較合適。升壓轉(zhuǎn)換器的缺點是，輸入電壓的任何瞬變(可使輸入電壓升高并超過輸出電壓)都會導(dǎo)致led上流過很大電流(由于負(fù)載的低動態(tài)阻抗)，從而損壞led。升降壓轉(zhuǎn)換器也可代替升壓轉(zhuǎn)換器，因為輸入電壓的瞬變不會影響led電流。

升降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

對于低電壓應(yīng)用中的led驅(qū)動器，升降壓轉(zhuǎn)換器是一種不錯的選擇。其原因有它們可用高于和低于輸入電壓的電壓來驅(qū)動led串(升壓和降壓)、效率很高(很容易到達(dá)85％以上)、非連續(xù)工作模式可抑制輸入電壓的變化(提供優(yōu)良的線電壓調(diào)節(jié))、峰值電流控制模式允許轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)led電流，而無需復(fù)雜的補償(簡化設(shè)計)、很容易實現(xiàn)線性和pwm led亮度調(diào)節(jié)、開關(guān)晶體管失效不會損壞led等等。圖2給出了降壓、升壓和升降壓轉(zhuǎn)換器與led串的連接電路。

但是，這種方法仍有缺點：一是峰值電流受控問題，因為采用非連續(xù)電流模式的升降壓轉(zhuǎn)換器是一種功率恒定的轉(zhuǎn)換器。因此，led串電壓的任何變化都會引起led電流的相應(yīng)改變；另一個問題是led開路狀態(tài)會在電路中產(chǎn)生損壞轉(zhuǎn)換器的高電壓；此外，還需要額外的電路將恒定功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娏鬓D(zhuǎn)換器，并需要在無負(fù)載情況下保護(hù)轉(zhuǎn)換器。

圖3所示為具體的升降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路，該控制器內(nèi)置了用于設(shè)定開關(guān)頻率的振蕩器。在開關(guān)周期之初，q1導(dǎo)通。由于輸入電壓vin加在電感上，電感電流(il（t）)開始從零(初始穩(wěn)定狀態(tài))開始上升。當(dāng)感應(yīng)電流上升至預(yù)先設(shè)定的電流值(ipk)時，q1關(guān)閉。開關(guān)導(dǎo)通時間(ton)由下式確定：

ton=ipkl/vin

此時，存儲在電感內(nèi)的總能量(j)為：

j=li2pk/2

這樣，盡管此時開關(guān)會關(guān)閉，但流經(jīng)電感的電流并不會中斷。這會使二極管d1導(dǎo)通，并在電感兩端產(chǎn)生輸出電壓(-vo)，這個負(fù)電壓會導(dǎo)致電感電流迅速下降。經(jīng)過一定時間toff后，電感電流趨于零。此時間可通過下列公式來計算：

toff=ipkl/vo

為使轉(zhuǎn)換器工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式下，開關(guān)導(dǎo)通時間與電感電流下降時間的總和必須小于或等于開關(guān)周期ts，以便確保在下一個開關(guān)周期時，電感電流能夠從零開始。

事實上，在輸入電壓最小和輸出電壓最大的情況下，(ton+toff)可取得最大值。因此，確保在這些電壓下轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式可保證在任何情況下都能滿足下式所列的條件： ton+toff≤ts

轉(zhuǎn)換器從輸入端獲得的功率(pin)電感中的能量與開關(guān)頻率f的乘積：即：

pin=fsli2pk/2

假設(shè)led串的電壓(vo)恒定且效率為100％，那么led的電流(iled)為：

iled=pin/vled=li2pkfs/2v

在峰值電流控制模式下，ipk通常是一個固定值。因此，led電流完全獨立(理論上)于輸入電壓。在固定的ipk下，輸入電壓的上升(下降)會引起晶體管的導(dǎo)通時間成反比例減少(增加)，這將提供很好的線電壓調(diào)節(jié)。在實際應(yīng)用中，從控制ic檢測到電流峰值到gate引腳實際關(guān)斷之間的延遲會引起輸入功率變化。導(dǎo)通時間較短會由于延遲時間而出現(xiàn)更多誤差，因為延遲時間將會占導(dǎo)通時間相當(dāng)大的部分。

實際上，led電流與led串的電壓成反比。一個標(biāo)稱輸出為20 v和350 ma的電路，將在10 v輸出電壓時產(chǎn)生700 ma的電流，這顯然不是期望的結(jié)果。但是，通過使開關(guān)頻率與輸出電壓成正比，上述公式提供了一種將恒定功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為恒定電壓轉(zhuǎn)換器的方法。

假設(shè)fs=kvo，其中k是常數(shù)，那么有：

iled=kli2pk／2

這樣，iled將獨立于輸入和輸出電壓。

回掃轉(zhuǎn)換器的另一個缺點是它易受輸出開路狀態(tài)的影響。當(dāng)led開路時，存儲在電感內(nèi)的能量在每次開關(guān)導(dǎo)通時間的最后都會被轉(zhuǎn)移到輸出電容里。這樣，缺少電容放電的負(fù)載將導(dǎo)致電容兩端的電壓逐漸上升，最后超過器件的標(biāo)稱值并損壞功率級。因此，可通過增加額外電路來提供輸出電壓反饋及過壓保護(hù)。

輸出電壓反饋

圖4是一個可實現(xiàn)過壓保護(hù)和led開路保護(hù)的額外電路。實際上，很多峰值電流模式控制器ic都具有專用的rt引腳。與該引腳相連的電阻可用來設(shè)置內(nèi)部電流，其內(nèi)部電流用來給振蕩器電容(可以是內(nèi)部或外部)充電。振蕩器電容上的斜坡電壓控制開關(guān)頻率，這樣，開關(guān)頻率與rt引腳的輸出電流成正比。電阻越小(大)，電流就越大(小)，開關(guān)頻率也就越高(低)?；谶@一原理，可利用輸出電壓反饋來調(diào)整開關(guān)頻率。

在圖4所示電路中，電阻r3和r4構(gòu)成一個分壓器。r4上的電壓減去晶體管q2基極和發(fā)射極之間的壓降(vbe)就是r5上的電壓。因此，流經(jīng)r5的電流(ir5)為：

該電流是利用匹配的晶體管對從控制ic的引腳rt獲得的。

圖4中的電阻r2用于啟動轉(zhuǎn)換器。在啟動狀態(tài)下，輸出電壓為零，因而ir5也為零。由于沒有來自控制器rt引腳的電流，所以轉(zhuǎn)換器無法啟動。增加電阻r2可以在啟動狀態(tài)下獲得一小部分電流，并使r2的大小滿足：

ir5>>v(rt)／r2

其中v(rt)是控制器rt引腳上的電壓。滿足該條件可確保轉(zhuǎn)換器的啟動，并將r2帶來的誤差降至最低。如選r3=r4，則有：

ir5>>vo/2r5

這里假定輸出電壓比q2的基極-發(fā)射極壓降大得多。

這樣，根據(jù)以上各公式便可以得到輸出led電流為：

iled=kicli2pk／(2×2r5)

這樣，led電流將不再決定于輸入或輸出電壓。采用電阻r6、晶體管q3和齊納二極管d2可增加過壓保護(hù)功能。在led開路狀態(tài)下，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電感存儲能量，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，該能量轉(zhuǎn)移到輸出電容上。因為沒有足夠的負(fù)載供電容放電，輸出電壓在每個周期都會逐漸升高。當(dāng)電壓升高到超過齊納二極管的導(dǎo)通電壓時，由d2和r6組成的齊納二極管分支電路開始導(dǎo)通。這也提供了一條通過q3基極電流的路徑，使q3導(dǎo)通。此時，電阻r4實際上被短路。因此，q2的基極發(fā)射極的pn結(jié)將關(guān)閉，導(dǎo)致r5上的電流為零。這將停止控制器的內(nèi)部振蕩直到輸出電壓降到齊納二極管電壓以下，以上過程繼續(xù)進(jìn)行。這種猝發(fā)模式可將led開路狀態(tài)下的平均功率降至最小。這種過壓保護(hù)方法將強制控制ic進(jìn)入低頻、低功率的工作模式。

齊納二極管電阻分支電路上的電流必須能在r6上產(chǎn)生足夠大的電壓，以便為晶體管基極-發(fā)射極之間的pn結(jié)提供偏置。

結(jié)束語

在帶有輸出電流反饋的開關(guān)led驅(qū)動器中，一般還需要反饋補償來穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器，并調(diào)節(jié)電流以達(dá)到期望的電流值。這些反饋方案的瞬態(tài)響應(yīng)性能是有限的，無法滿足led的pwm亮度調(diào)節(jié)所需要的快速開／關(guān)瞬態(tài)響應(yīng)。然而，本文所描述的轉(zhuǎn)換器并不要求任何反饋補償。該控制方案所用的唯一反饋信息是通過傳感電阻獲得流經(jīng)mosfet的峰值電流。因為轉(zhuǎn)換器在每個周期都存儲所需的能量，所以它可以對瞬態(tài)做出即時響應(yīng)。因此它可以很方便地與pwm亮度調(diào)節(jié)方案一起工作。

升降壓轉(zhuǎn)換器是低直流電壓輸入led驅(qū)動器的有效解決方案，無論輸出電壓高于還是低于輸入電壓，它都可以驅(qū)動led串。此外，還可在轉(zhuǎn)換器中增加小型而低廉的額外電路以克服負(fù)載調(diào)節(jié)和無負(fù)載狀態(tài)下的問題。該轉(zhuǎn)換器易于實現(xiàn)，且在峰值電流模式控制時無需進(jìn)行反饋補償沒計。它所具有的開環(huán)特性也使之成為那些需要pwm亮度調(diào)節(jié)的應(yīng)用中的理想選擇。