LED驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇及示例分析

在現(xiàn)代的照明市場(chǎng)中，LED已經(jīng)占據(jù)了半壁天下。這種全新的照明技術(shù)已經(jīng)成功的進(jìn)入到了我們的生活當(dāng)中。隨著市場(chǎng)需求的增加，從事LED設(shè)計(jì)的人員也越來越多。對(duì)于新手來說，初級(jí)LED照明電路的設(shè)計(jì)并不算難，但是拓?fù)潆娐返倪x擇往往會(huì)成為一個(gè)比較讓人頭疼的問題。本篇文章將對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇進(jìn)行指導(dǎo)。 　　LED驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇 圖1 LLC半橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 　　在LED驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)添加帶有變壓的交流到直流電源轉(zhuǎn)換功能，其中包含了反激、正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖1所示，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30 W的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇，而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關(guān)頻率有關(guān)，且多數(shù)隔離型LED 驅(qū)動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。 圖2 常見的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)方式 　　圖2是設(shè)計(jì)當(dāng)中比較常見的一些直流驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)方式相較于其他的方法來說設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉，并且最大的特點(diǎn)是不受到EMC的干擾，但也有不足，就是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。采用DC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，可以采用的LED驅(qū)動(dòng)方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等，電阻型驅(qū)動(dòng)方式中，調(diào)整與LED串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻即可控制LED的正向電流，線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計(jì)且沒有EMC問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)(fold back)，且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，不足在功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關(guān)穩(wěn)壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(guān)(FET)的開和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。 　　高能效是開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)，但是更高的能效產(chǎn)生就意味著更多的成本投入，不僅如此，開關(guān)穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，并且無法擺脫EMI的問題。LED DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)、單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等不同類型。其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED串最大電壓時(shí)采用降壓結(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc驅(qū)動(dòng)6顆串聯(lián)的LED;與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時(shí)采用升壓結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc驅(qū)動(dòng)6顆串聯(lián)的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)，可以采用降壓-升壓或SEPIC結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc或12 Vac驅(qū)動(dòng)4顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。 圖3 直接采用交流驅(qū)動(dòng)LED的示意圖 　　從最初的簡(jiǎn)單電路構(gòu)造，發(fā)展到先如今的直流電源直接驅(qū)動(dòng)，LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了較為長(zhǎng)遠(yuǎn)的一段發(fā)展時(shí)間。直流電源驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用示意圖如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在線路電壓大于正向電壓時(shí)才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢(shì)，如避免AC-DC轉(zhuǎn)換所帶來的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中LED在低頻開關(guān)，故人眼可能會(huì)察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計(jì)中還需要加入LED保護(hù)措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。 　　LED拓?fù)溥x擇示例分析 圖4 備選的LED 電源拓?fù)? 　　圖4當(dāng)中給出的表格是LED驅(qū)動(dòng)拓?fù)溥x擇的參考，這里列出的是比較常用的幾個(gè)，黑色的圓點(diǎn)表示在此種情況下應(yīng)該選擇哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果只是使用較為簡(jiǎn)易的電阻器或線性穩(wěn)壓器來驅(qū)動(dòng)LED的話，也是可以的。但是此類方法通常會(huì)浪費(fèi)過多功率。所有相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括輸入電壓范圍、驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)量、LED電流、隔離、EMI抑制以及效率。大多數(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路都屬于下列拓?fù)漕愋停航祲盒汀⑸龎盒?、降?升壓型、SEPIC 和反激式拓?fù)洹? 圖5 簡(jiǎn)單的降壓和升壓型拓?fù)錇長(zhǎng)ED 供電 　　在圖5當(dāng)中給出了三種較為基本的拓?fù)?，前兩個(gè)為BUCK型，最后一個(gè)為BOOST型。第一個(gè)示意圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器適用于輸出電壓總體小于輸入電壓的情形。在圖5中，降壓穩(wěn)壓器會(huì)通過改變MOSFET的開啟時(shí)間來控制電流進(jìn)入LED。電流感應(yīng)可通過測(cè)量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應(yīng)與LED串聯(lián)。對(duì)該方法來說，重要的設(shè)計(jì)難題是如何驅(qū)動(dòng)MOSFET。從性價(jià)比的角度來說，推薦使用需要浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)的N通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。這需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器或浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路(其可用于維持內(nèi)部電壓高于輸入電壓)。 　　相信稍有基礎(chǔ)的人都能看出來，圖5當(dāng)中的第二個(gè)電路為備選的降壓穩(wěn)壓器，其中的MOSFET對(duì)接地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而大大降低了驅(qū)動(dòng)電路要求。該電路可選擇通過監(jiān)測(cè)FET電流或與LED串聯(lián)的電流感應(yīng)電阻來感應(yīng) LED電流。后者需要一個(gè)電平移位電路來獲得電源接地的信息，但這會(huì)使簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。 　　另外，圖5中還顯示了一個(gè)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(shí)使用。由于MOSFET對(duì)接地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并且電流感應(yīng)電阻也采用接地參考，因此此類拓?fù)湓O(shè)計(jì)起來就很容易。該電路的一個(gè)不足之處是在短路期間，通過電感器的電流會(huì)毫無限制。但是可以通過保險(xiǎn)絲或電子斷路器的形式來增加故障保護(hù)。此外，某些更為復(fù)雜的拓?fù)湟部商峁┐祟惐Ｗo(hù)。 圖6 降壓-升壓型拓?fù)淇烧{(diào)節(jié)大于或小于 Vout的輸入電壓 　　圖6當(dāng)中的電路一般在輸出電壓和輸入電壓較為不穩(wěn)定，呈現(xiàn)時(shí)高時(shí)低時(shí)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(yīng)電阻，以及柵極驅(qū)動(dòng)位置的兩個(gè)降壓型拓?fù)渲酗@現(xiàn))。圖6中的降壓-升壓型拓?fù)滹@示了一個(gè)接地參考的柵極驅(qū)動(dòng)。它需要一個(gè)電平移位的電流感應(yīng)信號(hào)，但是該反向降壓-升壓型電路具有一個(gè)接地參考的電流感應(yīng)和電平移位的柵極驅(qū)動(dòng)。如果控制IC與負(fù)輸出有關(guān)，并且電流感應(yīng)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(jìn)行配置。適當(dāng)?shù)目刂艻C，就能直接測(cè)量輸出電流，并且MOSFET也可被直接驅(qū)動(dòng)。 圖7 降壓或升壓型以及 SEPIC 拓?fù)涮峁┝烁叩男? 　　但是這種方法存在一定的缺陷，就是電流會(huì)比較高。如，輸出電壓和輸入電壓相同時(shí)，電感和電源開關(guān)電流則為輸出電流的兩倍。這會(huì)對(duì)效率和功耗產(chǎn)生負(fù)面的影響。在許多情況下，圖7中的“降壓或升壓型”拓?fù)鋵⒕徍瓦@些問題。在該電路中，降壓功率級(jí)之后是一個(gè)升壓。如果輸入電壓高于輸出電壓，則在升壓級(jí)剛好通電時(shí)，降壓級(jí)會(huì)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。如果輸入電壓小于輸出電壓，則升壓級(jí)會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)而降壓級(jí)則通電。通常要為升壓和降壓操作預(yù)留一些重疊，因此從一個(gè)模型轉(zhuǎn)到另一模型時(shí)就不存在靜帶。 　　當(dāng)然該電路也是有優(yōu)點(diǎn)存在的，就是當(dāng)輸出和輸入的電壓對(duì)等時(shí)，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(gè)電源開關(guān)，通常效率也會(huì)得到顯著的提高，在電池應(yīng)用中這一點(diǎn)至關(guān)重要。圖7中還顯示了 SEPIC 拓?fù)?，此類拓?fù)湟筝^少的 FET，但需要更多的無源組件。其好處是簡(jiǎn)單的接地參考 FET 驅(qū)動(dòng)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?fù)湟粯?，它具有?ldquo;降壓或升壓”和脈動(dòng)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。 圖8：反激式轉(zhuǎn)換器可提供隔離和功率因數(shù)校正功能 　　當(dāng)然，在考慮效率的基礎(chǔ)上，所有的效率就都應(yīng)出于對(duì)安全的考慮，一般來說都會(huì)規(guī)定在離線電壓和輸出電壓之間使用隔離。在此應(yīng)用中，最具性價(jià)比的解決方案是反激式轉(zhuǎn)換器(請(qǐng)參見圖8)。它要求所有隔離拓?fù)涞慕M件數(shù)最少。變壓器匝比可設(shè)計(jì)為降壓、升壓或降壓-升壓輸出電壓，這樣就提供了極大的設(shè)計(jì)靈活性。 但其缺點(diǎn)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(yīng)力。在穩(wěn)定照明應(yīng)用中，可通過使用一個(gè)“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(shí)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)。 　　現(xiàn)如今，很多的應(yīng)用中都開始使用LED，而LED則要使用相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行配合 。一般來說，決定使用哪個(gè)LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的，通常是輸入電壓、輸出電壓和隔離需求等因素。在輸出輸入電壓不穩(wěn)定的情況下，使用降壓或著升壓的方法來應(yīng)對(duì)是正確的選擇。但是當(dāng)輸入輸出電壓處于較為穩(wěn)定的情況下時(shí)，選擇機(jī)會(huì)變得比較困難，所以希望通過本篇，能夠幫助大家積累在這方面的知識(shí)。