【導(dǎo)讀】隨著 LED 的生產(chǎn)成本下降，其使用愈發(fā)普遍，所涵蓋的應(yīng)用范圍從手持終端設(shè)備到車載，再到建筑照明。但驅(qū)動(dòng) LED 并非沒(méi)有挑戰(zhàn)，本文對(duì) LED 特性及驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)需要權(quán)衡的因素作了概述，并對(duì)適用于驅(qū)動(dòng) LED 和進(jìn)行 LED 調(diào)光的各種開(kāi)關(guān)電源拓?fù)溥M(jìn)行了詳 盡的討論，此外還詳細(xì)說(shuō)明了這些電源的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。
LED 的高可靠性（使用 壽命超過(guò) 50,000 個(gè)小時(shí)）、較高的效率（>120 流明/瓦）以及近乎瞬時(shí)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(shí)間相比，LED 會(huì)在短短 5nS 響應(yīng)時(shí)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(dòng) LED
驅(qū)動(dòng) LED 并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。可調(diào)的亮度需要用恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng) LED，并且無(wú)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(lái)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(kāi)啟閾值（白光 LED 的開(kāi)啟電壓閾值大約為 3.5V）時(shí)，通經(jīng)該 LED 的電流非 常小。在高于該閾值時(shí)，電流會(huì)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(gè)串聯(lián)電阻的電壓源，其中帶有一則 警示說(shuō)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(huì)使設(shè)備發(fā)熱，此舉將改變正向壓降和動(dòng)態(tài)阻抗。在確定 LED 阻抗時(shí)充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的。
當(dāng)通過(guò)降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)，LED 常常會(huì)根據(jù)所選的輸出濾波器排列來(lái)傳導(dǎo)電感的 AC 紋波電流和 DC 電流。這不僅會(huì)提高 LED 中電流的 RMS 振幅，而且還會(huì)增大其功耗。這樣就可提高結(jié)溫并對(duì) LED 的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們?cè)O(shè)定一個(gè) 70%的光輸出限制作為 LED 的使用壽命，那么 LED 的壽命就會(huì)從 74 攝氏度度下的 15,000 小時(shí)延長(zhǎng)到 63 攝氏度度下的 40,000 小時(shí)。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(lái)確定。由于結(jié)溫可通過(guò)平均功耗來(lái)確定，因此即使是 較大的紋波電流對(duì)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(huì)增加不超 過(guò) 10% 的總功率損耗。如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上面的損耗水平，那么就需要降低來(lái)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(yàn)法則是結(jié)溫每降低 10 攝氏度，半導(dǎo)體壽命就會(huì)提高兩倍。實(shí)際上，由于電感器的抑制作用，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)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(guò)廠商所規(guī)定的最大安全工作電流額定值。
LED驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(jiàn)圖3，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(kāi)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(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)用示意圖參見(jiàn)圖4。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)(fold back)，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)。
圖2：常見(jiàn)的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)方式
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。LED DC-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。
采用交流電源直接驅(qū)動(dòng)LED的方式近年來(lái)也獲得了一定的發(fā)展，其應(yīng)用示意圖參見(jiàn)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(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(lái)的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中LED在低頻開(kāi)關(guān)，故人眼可能會(huì)察覺(jué)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。
圖3：直接采用交流驅(qū)動(dòng)LED的示意圖
LED拓?fù)溥x擇示例分析
相關(guān)閱讀：
第一講：LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的考慮要素及通用要求
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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(dòng)器選擇最佳的開(kāi)關(guān)拓?fù)?。除這些拓?fù)渲?，您還可使用簡(jiǎn)易的限流電阻器或線性穩(wěn)壓器來(lái)驅(qū)動(dòng) LED，但是此類方法通常會(huì)浪費(fèi)過(guò)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?、升壓型、降?升壓型、SEPIC 和反激式拓?fù)洹?/p>
圖4：備選的LED 電源拓?fù)?/p>
圖5 顯示了三種基本的電源拓?fù)涫纠５谝粋€(gè)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(huì)通過(guò)改變 MOSFET 的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)控制電流進(jìn)入 LED。電流感應(yīng)可通過(guò)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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）。
圖5還顯示了備選的降壓穩(wěn)壓器 (buck #2)。在此電路中，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(guò)監(jiān)測(cè) FET 電流或與 LED 串聯(lián)的電流感應(yīng)電阻來(lái)感應(yīng) LED 電流。后者需要一個(gè)電平移位電路來(lái)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(lái)就很容易。該電路的一個(gè)不足之處是在短路期間，通過(guò)電 感器的電流會(huì)毫無(wú)限制。您可以通過(guò)保險(xiǎn)絲或電子斷路器的形式來(lái)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5：簡(jiǎn)單的降壓和升壓型拓?fù)錇長(zhǎng)ED 供電
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(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)電阻和柵極驅(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?IC，就 能直接測(cè)量輸出電流，并且 MOSFET 也可被直接驅(qū)動(dòng)。
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
該降壓-升壓方法的一個(gè)缺陷是電流相當(dāng)高。例如，當(dāng)輸入和輸出電壓相同時(shí)，電感和電源開(kāi)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(wèn)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)輸入和輸出電壓幾乎相等時(shí)，該電路的好處是開(kāi)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(kāi)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)?要求較少的 FET，但需要更多的無(wú)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)湟粯樱哂斜?ldquo;降壓或升壓”和脈動(dòng)輸出電流更高的開(kāi)關(guān)電流，這就要求電容 器可通過(guò)更大的 RMS 電流。
圖7：降壓或升壓型以及 SEPIC 拓?fù)涮峁┝烁叩男?/p>
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(jià)比的解決方案是反激式轉(zhuǎn)換器（請(qǐng)參見(jiàn)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(guò) 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(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正 (PFC) 功能。通過(guò)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(duì) 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(shí)現(xiàn)此操作的方式有兩種：即降低 LED 電流或快速打開(kāi) LED 再關(guān)閉，然后使眼睛最終得到平衡。因?yàn)楣廨敵霾⒎峭耆c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(huì)在電流低于額定值時(shí)發(fā)生改變。請(qǐng)記?。喝藢?duì)亮度的感知成指數(shù)倍增，因此調(diào)光就需要電流出現(xiàn)更大的百 分比變動(dòng)。因?yàn)樵谌娏飨拢?% 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(huì)對(duì)電路設(shè) 計(jì)產(chǎn)生重大的影響。盡管存在響應(yīng)速度問(wèn)題，但通過(guò)脈寬調(diào)制 (PWM) 來(lái)調(diào)節(jié)電流仍更為精確。當(dāng)照明和顯示時(shí)，需要 100Hz 以上的 PWM 才能使人眼不會(huì)察覺(jué)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 10 kHz 以上的帶寬。
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(huì)采用各種電源拓?fù)鋪?lái)為這些應(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(shí)高時(shí)低時(shí)，采用降壓或升壓可能是顯而易見(jiàn)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(shí)，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。
圖9：許多 LED 應(yīng)用都規(guī)定了多種電源拓?fù)?/p>
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