技術(shù)經(jīng)驗之如何選擇LED驅(qū)動電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LED的高可靠性(使用壽命超過50，000個小時)、較高的效率(120流明/瓦)以及近乎瞬時的響應(yīng)能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡200mS的響應(yīng)時間相比，LED會在短短5nS響應(yīng)時間內(nèi)發(fā)光。因此，目前它們已在汽車行業(yè)的剎車燈中得到廣泛采用。 　　驅(qū)動LED 　　驅(qū)動LED并非沒有挑戰(zhàn)?？烧{(diào)的亮度需要用恒定電流來驅(qū)動LED，并且無論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來為其供電相比更具有挑戰(zhàn)性。 　　LED具有類似于二極管的正向V-I特性。在低于LED開啟閾值(白光LED的開啟電壓閾值大約為3.5V)時，通經(jīng)該LED的電流非常小。在高于該閾值時，電流會以正向電壓形式成指數(shù)倍遞增。這就允許將LED定型為帶有一個串聯(lián)電阻的電壓源，其中帶有一則警示說明：本模型僅在單一的工作DC電流下才有效。如果LED中的DC電流發(fā)生改變，那么該模型的電阻也應(yīng)隨即改變，以反映新的工作電流。在大的正向電流下，LED中的功率耗散會使設(shè)備發(fā)熱，此舉將改變正向壓降和動態(tài)阻抗。在確定LED阻抗時充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的。 　　當(dāng)通過降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動LED時，LED常常會根據(jù)所選的輸出濾波器排列來傳導(dǎo)電感的AC紋波電流和DC電流。這不僅會提高LED中電流的RMS振幅，而且還會增大其功耗。這樣就可提高結(jié)溫并對LED的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們設(shè)定一個70%的光輸出限制作為LED的使用壽命，那么LED的壽命就會從74攝氏度度下的15，000小時延長到63攝氏度度下的40，000小時。 　　LED的功率損耗由LED電阻乘以RMS電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來確定。由于結(jié)溫可通過平均功耗來確定，因此即使是較大的紋波電流對功耗產(chǎn)生的影響也不大。例如，在降壓轉(zhuǎn)換器中，等于DC輸出電流(Ipk-pk=Iout)的峰至峰紋波電流會增加不超過10%的總功率損耗。如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上面的損耗水平，那么就需要降低來自電源的AC紋波電流以便使結(jié)溫和工作壽命保持不變。一條非常有用的經(jīng)驗法則是結(jié)溫每降低10攝氏度，半導(dǎo)體壽命就會提高兩倍。實際上，由于電感器的抑制作用，因此大多數(shù)設(shè)計就趨向于更低的紋波電流。此外，LED中的峰值電流不應(yīng)超過廠商所規(guī)定的最大安全工作電流額定值。 　　LED驅(qū)動電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇分析 　　采用AC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括二極管、開關(guān)(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調(diào)制(PWM)穩(wěn)壓器用于控制電源轉(zhuǎn)換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉(zhuǎn)換包含反激、正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參見圖3，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30W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)動器基本上采用“電子”變壓器。 圖1：LLC半橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 　　采用DC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，可以采用的LED驅(qū)動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖參見圖4。電阻型驅(qū)動方式中，調(diào)整與LED串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流，這種驅(qū)動方式易于設(shè)計、成本低，且沒有電磁兼容(EMC)問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning)LED，且能效較低。線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計且沒有EMC問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)(foldback)，且提供外部電流設(shè)定點，不足在于功率耗散問題，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。 圖2：常見的DC-DCLED驅(qū)動方式 　　開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LEDDC-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)或單端初級電感轉(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串最大電壓時采用降壓結(jié)構(gòu)，如采用24Vdc驅(qū)動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采用升壓結(jié)構(gòu)，如采用12Vdc驅(qū)動6顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC結(jié)構(gòu)，如采用12Vdc或12Vac驅(qū)動4顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。 　　采用交流電源直接驅(qū)動LED的方式近年來也獲得了一定的發(fā)展，其應(yīng)用示意圖參見圖5。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才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢，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)，故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計中還需要加入LED保護(hù)措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。 圖3：直接采用交流驅(qū)動LED的示意圖 　　LED拓?fù)溥x擇示例分析 　　圖4中所顯示的信息有助于為LED驅(qū)動器選擇最佳的開關(guān)拓?fù)?。除這些拓?fù)渲?，您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(fèi)過多功率。所有相關(guān)的設(shè)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。大多數(shù)的LED驅(qū)動電路都屬于下列拓?fù)漕愋停航祲盒汀⑸龎盒?、降?升壓型、SEPIC和反激式拓?fù)洹? 圖4：備選的LED電源拓?fù)? 　　圖5顯示了三種基本的電源拓?fù)涫纠?。第一個示意圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器適用于輸出電壓總小于輸入電壓的情形。在圖5中，降壓穩(wěn)壓器會通過改變MOSFET的開啟時間來控制電流進(jìn)入LED。電流感應(yīng)可通過測量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應(yīng)與LED串聯(lián)。對該方法來說，重要的設(shè)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?xùn)艠O驅(qū)動的N通道場效應(yīng)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)。 圖5：簡單的降壓和升壓型拓?fù)錇長ED供電 　　圖5還顯示了備選的降壓穩(wěn)壓器(buck#2)。在此電路中，MOSFET對接地進(jìn)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(yīng)電阻來感應(yīng)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(shè)計復(fù)雜化。 　　另外，圖5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(jìn)行驅(qū)動并且電流感應(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(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(yīng)電阻和柵極驅(qū)動位置的兩個降壓型拓?fù)渲酗@現(xiàn))。圖6中的降壓-升壓型拓?fù)滹@示了一個接地參考的柵極驅(qū)動。它需要一個電平移位的電流感應(yīng)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(yīng)和電平移位的柵極驅(qū)動。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(dāng)高。例如，當(dāng)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(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(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)而降壓級則通電。通常要為升壓和降壓操作預(yù)留一些重疊，因此從一個模型轉(zhuǎn)到另一模型時就不存在靜帶。 　　當(dāng)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(yīng)用中這一點至關(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?fù)湟粯樱哂斜?ldquo;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。 圖7：降壓或升壓型以及SEPIC拓?fù)涮峁┝烁叩男? 　　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(yīng)用中，最具性價比的解決方案是反激式轉(zhuǎn)換器(請參見圖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(yīng)力。在穩(wěn)定照明應(yīng)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)。 圖8：反激式轉(zhuǎn)換器可提供隔離和功率因數(shù)校正功能 　　調(diào)光技術(shù) 　　需要對LED進(jìn)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(fù)載下放大成30%甚至更大的誤差，因此這會對電路設(shè)計產(chǎn)生重大的影響。盡管存在響應(yīng)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(dāng)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。 圖9：許多LED應(yīng)用都規(guī)定了多種電源拓?fù)? 　　結(jié)論 　　如圖9所示，在許多應(yīng)用中使用LED正變得日益普遍。它將會采用各種電源拓?fù)鋪頌檫@些應(yīng)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(dāng)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。