揭秘LED照明設(shè)計(jì)之驅(qū)動(dòng)的選擇與設(shè)計(jì)技巧

LED的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動(dòng)器要求。LED驅(qū)動(dòng)器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過(guò)LED的電流，而無(wú)論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅(qū)動(dòng)器基本的工作電路示意圖如圖1所示，其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED(即輸入與輸出)之間沒(méi)有物理上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來(lái)電氣隔離，而“非隔離”則沒(méi)有采用高頻變壓器來(lái)電氣隔離。 　　如何選擇LED驅(qū)動(dòng)方式 　　如今在市場(chǎng)上典型的LED驅(qū)動(dòng)器包括兩類(lèi)，即線性驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器;大概的適用范圍見(jiàn)圖2.如電流大于500mA的大電流應(yīng)用采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，因?yàn)榫€性驅(qū)動(dòng)器限于自身結(jié)構(gòu)原因，無(wú)法提供這樣大的電流;而在電流低于200mA的低電流應(yīng)用中，通常采用線性穩(wěn)壓器或分離穩(wěn)壓器;而在200至500mA的中等電流應(yīng)用中，既可以采用線性穩(wěn)壓器，也可以采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。 　　開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的能效高，且提供極佳的亮度控制。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，提供穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù)，且沒(méi)有電磁兼容性(EMC)問(wèn)題。 　　在低電流LED應(yīng)用中，電阻型驅(qū)動(dòng)器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但這種驅(qū)動(dòng)器在低電壓條件下，正向電流較低，會(huì)導(dǎo)致LED亮度不足，且在負(fù)載突降等瞬態(tài)條件下，LED可能受損;并且電阻是耗能元件，整個(gè)方案的能效較低，見(jiàn)圖2。 　　例如在采用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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖見(jiàn)圖3。 　　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，這種驅(qū)動(dòng)方式易于設(shè)計(jì)、成本低，且沒(méi)有電磁兼容(EMC)問(wèn)題，劣勢(shì)是依賴于電壓、需要篩選(binning)LED，且能效較低。 　　線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計(jì)且沒(méi)有EMC問(wèn)題，還支持電流穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù)(foldback)，且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，不足在于功率耗散問(wèn)題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)PWM控制模塊不斷控制開(kāi)關(guān)(FET)的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。 　　開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無(wú)關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對(duì)較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問(wèn)題。LEDDC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等不同類(lèi)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24Vdc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12Vdc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12Vdc或12Vac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。 　　LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)5大技巧要領(lǐng) 　　1、芯片發(fā)熱 　　這主要針對(duì)內(nèi)置電源調(diào)制器的高壓驅(qū)動(dòng)芯片。假如芯片消耗的電流為2mA，300V的電壓加在芯片上面，芯片的功耗為0.6W，當(dāng)然會(huì)引起芯片的發(fā)熱。驅(qū)動(dòng)芯片的最大電流來(lái)自于驅(qū)動(dòng)功率mos管的消耗，簡(jiǎn)單的計(jì)算公式為I=cvf(考慮充電的電阻效益，實(shí)際I=2cvf，其中c為功率MOS管的cgs電容，v為功率管導(dǎo)通時(shí)的gate電壓，所以為了降低芯片的功耗，必須想辦法降低c、v和f.如果c、v和f不能改變，那么請(qǐng)想辦法將芯片的功耗分到芯片外的器件，注意不要引入額外的功耗。再簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就是考慮更好的散熱吧。 　　2、功率管發(fā)熱 　　功率管的功耗分成兩部分，開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。要注意，大多數(shù)場(chǎng)合特別是LED市電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，開(kāi)關(guān)損害要遠(yuǎn)大于導(dǎo)通損耗。開(kāi)關(guān)損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅(qū)動(dòng)能力和工作頻率有關(guān)，所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個(gè)方面解決： 　　A、不能片面根據(jù)導(dǎo)通電阻大小來(lái)選擇MOS功率管，因?yàn)閮?nèi)阻越小，cgs和cgd電容越大。如1N60的cgs為250pF左右，2N60的cgs為350pF左右，5N60的cgs為1200pF左右，差別太大了，選擇功率管時(shí)，夠用就可以了。 　　B、剩下的就是頻率和芯片驅(qū)動(dòng)能力了，這里只談?lì)l率的影響。頻率與導(dǎo)通損耗也成正比，所以功率管發(fā)熱時(shí)，首先要想想是不是頻率選擇的有點(diǎn)高。想辦法降低頻率吧!不過(guò)要注意，當(dāng)頻率降低時(shí)，為了得到相同的負(fù)載能力，峰值電流必然要變大或者電感也變大，這都有可能導(dǎo)致電感進(jìn)入飽和區(qū)域。如果電感飽和電流夠大，可以考慮將CCM(連續(xù)電流模式)改變成DCM(非連續(xù)電流模式)，這樣就需要增加一個(gè)負(fù)載電容了。 　　3、工作頻率降頻 　　這個(gè)也是用戶在調(diào)試過(guò)程中比較常見(jiàn)的現(xiàn)象，降頻主要由兩個(gè)方面導(dǎo)致。輸入電壓和負(fù)載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對(duì)于前者，注意不要將負(fù)載電壓設(shè)置的太高，雖然負(fù)載電壓高，效率會(huì)高點(diǎn)。 　　對(duì)于后者，可以嘗試以下幾個(gè)方面： 　　a、將最小電流設(shè)置的再小點(diǎn); 　　b、布線干凈點(diǎn)，特別是sense這個(gè)關(guān)鍵路徑; 　　c、將電感選擇的小點(diǎn)或者選用閉合磁路的電感; 　　d、加RC低通濾波吧，這個(gè)影響有點(diǎn)不好，C的一致性不好，偏差有點(diǎn)大，不過(guò)對(duì)于照明來(lái)說(shuō)應(yīng)該夠了。無(wú)論如何降頻沒(méi)有好處，只有壞處，所以一定要解決。 　　4、電感或者變壓器的選擇 　　很多用戶反應(yīng)，相同的驅(qū)動(dòng)電路，用a生產(chǎn)的電感沒(méi)有問(wèn)題，用b生產(chǎn)的電感電流就變小了。遇到這種情況，要看看電感電流波形。有的工程師沒(méi)有注意到這個(gè)現(xiàn)象，直接調(diào)節(jié)sense電阻或者工作頻率達(dá)到需要的電流，這樣做可能會(huì)嚴(yán)重影響LED的使用壽命。所以說(shuō)，在設(shè)計(jì)前，合理的計(jì)算是必須的，如果理論計(jì)算的參數(shù)和調(diào)試參數(shù)差的有點(diǎn)遠(yuǎn)，要考慮是否降頻和變壓器是否飽和。變壓器飽和時(shí)，L會(huì)變小，導(dǎo)致傳輸delay引起的峰值電流增量急劇上升，那么LED的峰值電流也跟著增加。在平均電流不變的前提下，只能看著光衰了。 　　5、LED電流大小 　　我們都知道LEDripple過(guò)大的話，LED壽命會(huì)受到影響。對(duì)于LEDripple過(guò)高影響有多大，一些LED廠表示30%以內(nèi)都可以接受，不過(guò)后來(lái)沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。建議還是盡量控制小點(diǎn)。如果散熱解決的不好的話，LED一定要降額使用。也希望有專(zhuān)家能給個(gè)具體指標(biāo)，要不然影響LED的推廣。 　　針對(duì)本文，相信你會(huì)覺(jué)得LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)并不難，一定要做到心中有數(shù)，只要做到調(diào)試前計(jì)算，調(diào)試時(shí)測(cè)量，調(diào)試后老化，相信我們都可以輕松搞LED了。