驅(qū)動(dòng)大功率LED之道

　　不管類型、尺寸或功率如何，由恒流驅(qū)動(dòng)的所有LED都會(huì)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。以流明為單位測(cè)量的光輸出與電流成正比，因此，LED制造商說明的是在特定的正向電流IF 下器件的特征(例如，流明、波束圖和顏色)，而不是在特定的正向電壓VF 下的特征。如圖2所示。

圖2  亮度(光強(qiáng)度)和顏色(波長(zhǎng))v LED的正向電流

　　當(dāng)恒流源中要求高效和低功耗時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器或控制器是驅(qū)動(dòng)HB LED的最佳選擇。下文討論驅(qū)動(dòng)LED的不同功率拓?fù)?。開關(guān)穩(wěn)壓器具有高效、能夠降低驅(qū)動(dòng)LED的半導(dǎo)體的功耗以及減少向LED傳熱等優(yōu)勢(shì)。

　　降壓穩(wěn)壓器

　　當(dāng)整個(gè)串聯(lián)或串并聯(lián)串中的LED系統(tǒng)的輸入電壓大于最大的正向電壓降時(shí)，可選擇的最佳功率拓?fù)涫菢?biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器。降壓轉(zhuǎn)換器(如圖3a所示)由于帶有輸出感應(yīng)器，所以是驅(qū)動(dòng)恒流的理想選擇。電感電流波紋DiL在降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中是一個(gè)已知的、受控制的量。在三種標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?降壓、升壓和降壓-升壓)中，只有降壓轉(zhuǎn)換器有與LED驅(qū)動(dòng)中的平均負(fù)荷電流或IF 相等的平均電感電流。不管采用哪種控制方法，事實(shí)上，輸出電流不會(huì)在開關(guān)循環(huán)的任何部分中發(fā)生瞬態(tài)變化，這使得恒定電壓源向恒定電流源的轉(zhuǎn)換變得更加容易。再說詳細(xì)一些，許多基于降壓轉(zhuǎn)換器的恒流電路都可以在沒有輸出電容的情況下運(yùn)行。

圖3a：帶有輸出電容的降壓穩(wěn)壓器
圖3b: 不帶輸出電容的降壓穩(wěn)壓器

　　在帶有穩(wěn)壓器的電路中，采用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)電流源有兩大標(biāo)準(zhǔn)：輸出電流(DiL)的平均精確度以及DC組件頂部的波紋或AC電流。平均輸出電流的公差取決于電流傳感電路(包括電流傳感電阻)的精確度和IC內(nèi)部參考電壓的精確度。LED波紋電流取決于輸入電壓、輸出電壓、開關(guān)頻率，以及感應(yīng)系數(shù)。

　　在以非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)運(yùn)行的電路中，可以對(duì)輸出電流進(jìn)行控制。當(dāng)電路以連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)—通過感應(yīng)器時(shí)，CCM始終保持正電流—運(yùn)行時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器可以被很容易地辨別和感應(yīng)。在。由于感應(yīng)器與LED陣列分享相同的DC電流，而且保持通過所有LED的電流為恒流是首要目標(biāo)，因此，CCM操作是運(yùn)行驅(qū)動(dòng)恒流的降壓轉(zhuǎn)換器的首選方式。

　　升壓穩(wěn)壓器

　　當(dāng)LED系統(tǒng)的輸入電壓小于應(yīng)用中的整個(gè)串聯(lián)串的最小正向電壓降時(shí)，則需要一個(gè)升壓穩(wěn)壓器。在低功率應(yīng)用中，普遍采用的是開關(guān)電容升壓轉(zhuǎn)換器，但是，當(dāng)電流約為100mA或以上時(shí)，它們的效率會(huì)迅速下降。感應(yīng)升壓穩(wěn)壓器也需要一部分輸入電壓并提供更高的輸出電壓，用感應(yīng)器作為能量存儲(chǔ)元件在高增壓比(在這里，VO 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于VIN)和1至10安培的輸出電流范圍內(nèi)可以提供高效率。在所有開關(guān)電源拓?fù)渲?，只有降壓穩(wěn)壓器更有效。這是因?yàn)橹挥薪祲?升壓穩(wěn)壓器在它們的開關(guān)循環(huán)的一部分中將輸入電壓與輸出端連接起來。

　　圖4給出用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED陣列的典型升壓穩(wěn)壓器的電路圖。如圖3a和3b所示的降壓電路，以前允許在輸出電流中動(dòng)態(tài)移動(dòng)的同時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓的系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)換為允許在輸出電壓中動(dòng)態(tài)移動(dòng)的同時(shí)保持輸出電流的系統(tǒng)。

圖4  采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM5020的典型升壓LED驅(qū)動(dòng)

　　升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)穩(wěn)壓器被禁用時(shí)，不能在輸出端提供真正的關(guān)斷。在輸出端一直能看到最小電壓(VIN-VD)，除非該電路用控制開關(guān)替代輸出二極管。采用升壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須小心控制輸入電壓的瞬變，這偶爾會(huì)正向偏置LED陣列。允許不受控制的電流流過LED，會(huì)導(dǎo)致LED過熱，這對(duì)于任何類型的LED來說都是主要故障。

　　另一種區(qū)分升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器差別的方法是升壓穩(wěn)壓器需要一個(gè)輸出電容。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感未與LED串連接，輸出電容會(huì)提供電流，以保持IF的正確平均輸出水平和理想的波紋電流(DIF)量。幸運(yùn)的是，電容量一般都非常低(典型值為1mF~10mF)，而不是典型的升壓穩(wěn)壓器中的100微法拉。

　　當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器將能量直接引入它們的存儲(chǔ)元件(電感)中。能量由輸出電容提供給負(fù)荷電容器，然后，負(fù)荷電容器和輸出電容器在開關(guān)關(guān)閉時(shí)進(jìn)行充電。開關(guān)占空比D與從輸入端到輸出端傳輸?shù)哪芰恐g的間接關(guān)系致使出現(xiàn)一種名為右半平面零點(diǎn)(RHPZ)的現(xiàn)象。這表明在校正輸入電流(針對(duì)穩(wěn)壓器)或輸出電壓(針對(duì)穩(wěn)流器)上發(fā)生的變化之前，系統(tǒng)暫時(shí)向相反方向移動(dòng)的趨勢(shì)。在所有拓?fù)?除降壓穩(wěn)壓器以外)中都可以發(fā)現(xiàn)RHP零點(diǎn)，它們使得升壓穩(wěn)壓器的控制環(huán)路的設(shè)計(jì)更加困難。PWM調(diào)光部分會(huì)解釋為什么需要可以快速地從它們的“關(guān)閉”狀態(tài)轉(zhuǎn)向目標(biāo)輸出電流的轉(zhuǎn)換器。RHP零點(diǎn)，結(jié)合阻止VO發(fā)生變化的輸出電容使得升壓轉(zhuǎn)換器在響應(yīng)PWM調(diào)光的速度上要比降壓轉(zhuǎn)換器慢。

　　降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

　　當(dāng)LED系統(tǒng)(即整個(gè)串聯(lián)串的總正向電壓降)的輸出電壓既可能大于，也可能小于應(yīng)用中的輸入電壓時(shí)，就必須采用降壓-升壓穩(wěn)壓器?，F(xiàn)有的各種拓?fù)涠伎梢陨吆徒档洼斎腚妷?。最普遍的是回掃轉(zhuǎn)換器、SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換器和Cuk穩(wěn)壓器。VO 可以比VIN 高或低，在極性上可與VIN相同或相反。每種拓?fù)涠加歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是，所有拓?fù)涞男识急冉祲?升壓穩(wěn)壓器低，因?yàn)樗鼈兌疾捎秒姼谢螂娙葑鳛橹虚g能量存儲(chǔ)元件。

　　單電感降壓-升壓穩(wěn)壓器采用浮動(dòng)開關(guān)，如降壓穩(wěn)壓器，許多降壓穩(wěn)壓器和控制器都可以用于設(shè)計(jì)單感應(yīng)式降壓-升壓穩(wěn)壓器。在各種升/降壓拓?fù)渲?，這種拓?fù)洳捎玫牧悴考?shù)量最少。單電感降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是輸出電壓的極性是反向的。對(duì)于許多穩(wěn)流器來說，只要電流感測(cè)電路正確地設(shè)計(jì)為控制器或穩(wěn)壓器IC，這就不是問題。采用降壓穩(wěn)壓器或控制器時(shí)的另一種技術(shù)是將整個(gè)電路設(shè)計(jì)為負(fù)輸出量(圖5)。這種技術(shù)解決了電流感測(cè)的參照問題，但沒有解決PWM調(diào)光信號(hào)的參照問題。

圖5  用作降壓-升壓穩(wěn)壓器的降壓IC

　　用耦合感應(yīng)器(有時(shí)稱為回掃變壓器)替換降壓-升壓穩(wěn)壓器的感應(yīng)器會(huì)產(chǎn)生回掃拓?fù)?。耦合感?yīng)器可使初級(jí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換至低側(cè)拓?fù)?，這種拓?fù)湎鄬?duì)來說更簡(jiǎn)單，也更便宜。回掃拓?fù)湟话阌糜谛枰β蕪?50W轉(zhuǎn)換至5W以下，VIN 上升8倍的時(shí)候，或當(dāng)需要擴(kuò)大開關(guān)的最大電壓或電流的時(shí)候。由于開關(guān)接地，升壓穩(wěn)壓器IC通?？梢杂米骰貟叻€(wěn)壓器。

　　SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)拓?fù)溥€可以用作降壓-升壓穩(wěn)壓器，提供低于或高于輸入電壓、與輸入電壓擁有相同極性的輸出電壓。例如，SEPIC拓?fù)淇梢蕴峁┰?0~15V之間變化的12V輸入電壓。如果沒有SEPIC，這一實(shí)例可以采用兩個(gè)穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)，即在升壓穩(wěn)壓器之后用一個(gè)降壓穩(wěn)壓器或單個(gè)回掃穩(wěn)壓器。低側(cè)穩(wěn)壓器和控制器可以用在SEPIC拓?fù)渲?，?dāng)需要真正關(guān)斷時(shí)，SEPIC對(duì)于替換升壓電路很有用。

　　Cuk穩(wěn)壓器是一種在電源教科書中非常普遍，但是還沒有被廣泛使用的拓?fù)?。人們?duì)這種拓?fù)涞呐d趣不斷增加，因?yàn)樗俏ㄒ灰环N帶有感應(yīng)輸出的升壓降壓拓?fù)?。這使得Cuk轉(zhuǎn)換器可以在沒有輸出電容的情況下驅(qū)動(dòng)LED，就如同降壓轉(zhuǎn)換器一樣。像其它升壓/降壓轉(zhuǎn)換器一樣，Cuk存在右半平面(RHP)零點(diǎn)并且更難控制。Cuk轉(zhuǎn)換器還可以逆變它們的輸出端極性，這需要為它們的電流感測(cè)和PWM調(diào)光電路進(jìn)行電平移動(dòng)和/或逆變。

　　表1列出了普遍使用的升壓/降壓拓?fù)?，以及它們的主要?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

　　通過調(diào)光控制LED的亮度

　　脈寬調(diào)制(PWM)是用于調(diào)暗LED，以控制LED系統(tǒng)中的光輸出的主要方法。LED中的光輸出隨著IF的變化(在制造商規(guī)定的范圍內(nèi))而以一種線性方式改變，但在單色LED中，發(fā)射光的主頻也是不同的。對(duì)于以磷為基質(zhì)的白色LED，其相關(guān)色溫(CCT)是不同的。線性調(diào)光能用于在顏色/CCT上的這種變化被判定為可接受的應(yīng)用中。這些應(yīng)用的實(shí)例包括閃光燈、閱讀燈，以及只有很少量的LED的系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，從一盞燈到另一盞燈之間的顏色、CCT或亮度上的差別不是很明顯。對(duì)于諸如汽車剎車燈、LCD背光燈，以及直視RGB燈等應(yīng)用而言，亮度和顏色要求對(duì)于這種方法來說太過嚴(yán)格。為了減少這些應(yīng)用中的光輸出，同時(shí)對(duì)顏色和CCT進(jìn)行嚴(yán)格控制，一個(gè)已知的、受控制的電流必須流經(jīng)LED陣列串，然后，用受控制的占空比進(jìn)行斬波控制。

　　電流源輸出端的PWM的另一種方法是斬波控制電源輸入電壓，也稱之為“劇場(chǎng)調(diào)光”，這種方法普遍用于客車。一般情況下，這種情況在低頻(50Hz~1000Hz)時(shí)發(fā)生。必須對(duì)這種方法和開關(guān)穩(wěn)壓器的使能管腳的PWM進(jìn)行仔細(xì)分析，以防PWM頻率和開關(guān)頻率之間發(fā)生交互。輸入電壓的PWM或使能管腳可使開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)生振蕩?；镜囊?guī)則是保持開關(guān)頻率至少高出PWM頻率兩個(gè)數(shù)量級(jí)將會(huì)消除這種交互。

　　驅(qū)動(dòng)LED的須知事項(xiàng)

　　除了在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)可選擇的各種功拓?fù)湟酝?，還要考慮到一些其它的須知事項(xiàng)。LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須意識(shí)到對(duì)穿過LED的短路或系統(tǒng)中的開路LED故障采取必要的保護(hù)措施。配置為恒流源的開關(guān)穩(wěn)壓器在處理穿過LED陣列的短路上沒有問題，但是，如果LED作為開路發(fā)生故障，則會(huì)將它們的輸出電壓驅(qū)動(dòng)至系統(tǒng)限額。開路故障在HB LED中更加普遍，故障源于在過電流或熱過載期間，捆綁電線有斷裂的趨勢(shì)。如果是降壓穩(wěn)壓器，輸出電壓可以上升到和輸入電壓一樣高，是占空比限額的幾倍。由于許多基于降壓穩(wěn)壓器的電流源采用很小的輸出電容或不采用輸出電容，因此，用戶可以選擇限定輸出電路來處理最大輸入電壓，并且只需在開路條件下使輸出電壓上升即可。在這種情況下，電流由很小變?yōu)闆]有，因此，熱應(yīng)力出現(xiàn)的機(jī)會(huì)很小。

　　如果是升壓轉(zhuǎn)換器和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，開路系統(tǒng)的輸出電壓是未定義的，而且可以超出穩(wěn)壓器IC、功率半導(dǎo)體，以及輸出濾波器的額定電壓。防止輸出電壓失控的一種簡(jiǎn)單的方法是在輸出端到反饋輸入端之間放置一個(gè)齊納二極管，利用在許多開關(guān)穩(wěn)壓器上都可以找到的過電壓比較器。

　　此外，LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)注意驅(qū)動(dòng)高亮度LED帶來的散熱管理問題。雖然在本文中沒有討論這一話題，但是作者希望設(shè)計(jì)人員意識(shí)到設(shè)計(jì)和HB LED應(yīng)用中的散熱問題。

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著照明世界逐漸向LED過渡，要驅(qū)動(dòng)新型高亮度LED必須有足夠的電子器件來提供電能。我們已經(jīng)介紹了在一個(gè)系統(tǒng)中配置LED的一些基本方法以及可以用于驅(qū)動(dòng)LED的可能的功率拓?fù)?。?duì)于LED配置以及功率拓?fù)涞奶囟ń鉀Q方案取決于應(yīng)用限制、系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)者的偏好。本文還提醒設(shè)計(jì)者 ：在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過程中應(yīng)該意識(shí)到的潛在危險(xiǎn)。我們只有采用正確的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方能實(shí)現(xiàn)—LED點(diǎn)亮全世界—這一承諾。