讓LED更高效的驅動設計(2)

　 3 典型應用

　　LED中的電流在很多情況下都是由鎮流電阻或線性穩壓器進行控制的。但是，本文中我們主要講述的是開關穩壓器。在驅動LED時常用的三種基本的電路拓撲為：降壓拓撲、升壓拓撲以及降壓-升壓拓撲。采用何種拓撲結構取決于輸入電壓和輸出電壓的關系。

　　在輸出電壓始終小于輸入電壓的情況下，應使用降壓穩壓器，圖6顯示了該拓撲結構。在該電路中，對電源開關的占空比（dutyfactor）進行了控制，以在輸出濾波器電感L1上確立平均電壓。當FET開關閉合時（TPS5430內部），其將輸入電壓連接到電感，并在L1中形成電流。環流二極管D2提供了開關斷開時的電流路徑。電感可對流經LED的電流起到平滑的作用，通過用電阻監控（測量）LED電流，并將該電壓與控制IC內部的參考電壓進行比較，從而最終實現對流經LED的電流的調節。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升--從而也就導致了電流的升高。由于電源開關、環流二極管以及電流檢測電阻上的壓降非常低，該電路可提供極佳的效率。

圖6 降壓LED驅動器逐步降低輸入電壓

　　當輸出電壓總是比輸入電壓大時，最好是采用如圖7所示的升壓轉換電路。該電路的U1中也有一個帶有控制電子器件的高度集成的電源開關。當開關閉合時，電流流經電感到接地。當開關斷開時，U1引腳1上的電壓會不斷升高，直到D1導通。然后電感放電，電流進入輸出電容器（C3）和LED串。在大多數應用中，C3通常用于平滑LED電流。如果沒有C3，則LED電流將是斷斷續續的。也就是說，它會在零和電感電流之間切換，這會導致LED熱量增加（從而縮短使用壽命），并且亮度減少。在前面的例子中，LED的電流是通過一個電阻檢測的，并且占空比會發生相應地變化。請注意本拓撲存在一個嚴重的問題，即它沒有短路保護電路。若輸出短路，則會有較大的電流通過電感器和二極管，從而導致電路故障，或者輸入電壓崩潰。

圖7 高度集成的升壓LED驅動器逐步升高輸入電壓

　　許多時候輸入電壓范圍變化很大，其可以高于或低于輸出電壓，此時降壓拓撲和升壓拓撲結構就不起作用了。并且，可能在升壓應用中需要短路保護。在這些情況下，您可能非常想使用降壓-升壓拓撲結構（請參見圖8）。當電源開關閉合、電感有電流通過時該電路就相當于升壓電路；當電源開關斷開時，電感開始放電，電流進入輸出電容和LED。不過，輸出電壓不是正的，而是負的。此外，請注意本拓撲中不存在像升壓轉換轉中出現的短路問題，因為其通過使電源開關Q1開路，提供了短路保護功能。該電路的另一個值得注意的特性是雖然其是一個負的輸出，但并不需要對傳感電路的電平進行轉換。在本設計中，控制IC接地到負的輸出，并且可直接測量電流檢測電阻R100上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個LED，但是通過串聯可以連接許多LED。電壓的上限是控制IC的最大額定電壓；輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過該限值。

圖8 降壓-升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍

　　4 關閉環控制電路

　　關閉LED電源上的電流環路比關閉傳統電源上的電壓環路要簡單的多。環路的復雜性取決于輸出濾波器結構。圖9顯示了三種可能的結構：只有一個電感的簡單濾波器（A）；典型的電源濾波器（B）；以及改良的濾波器（C）。

圖9 電位輸出濾波器結構

　　為每一個功率級都構建一個簡單的P-Spice模型，以闡明每一功率級控制特性的區別。降壓功率FET和二極管的開關動作建模為壓控電壓源，增益為10，而LED則建模為與6V電壓源串聯的3Ω的電阻。在LED和接地之間添加了一個1Ω的電阻，用于對電流進行檢測，圖10顯示了其結果。在電路A中，該響應就是穩定的一階系統的響應。DC增益由壓控電壓源（LED電阻和電流檢測電阻構成的分壓器）確定，系統的極性由輸出電感和電路電阻決定，補償電路則簡單地由類型2放大器構成。電路B由于增加了輸出電容，因此有二階響應。若LED的紋波電流過大并達到難以接受的程度，則可能需要該輸出電容，這是由于EMI或熱量等問題的出現造成的。DC增益與第一個電路一樣。不過，在輸出電感和電容確定的頻率處有一對復極點。

　　濾波器的總相移為180度。若沒有很好地設計補償電路，可能會導致系統不穩定。補償電路的設計與傳統電壓模式電源相類似，傳統電壓模式電源要求有一個類型3的放大器。與電路A相比，該補償電路增加了兩個組件以及一個輸出電容。在電路3中我們對輸出電容進行了重定位，以便更容易對電路進行補償。LED的紋波電壓與電路B類似，所不同的是電感的紋波電流流過電流檢測電阻R105。因此在計算功耗時也要考慮到這一部分功耗。該電路有一個零點，一對極點，并且其補償設計與電路A差不多簡單，DC增益也與前兩個電路相同。該電路的電容和LED串聯電阻引入了一個零極，并擁有兩個極點，一個由輸出電容和電流檢測電阻確定；另一個則由電流檢測電阻和輸出電感確定。在高頻率時，其響應與電路A一樣。

圖10 電位濾波器的增益和相位圖

　　5 調光

　　通常，我們需要對LED進行調光。例如，您需要調低顯示器或建筑照明的亮度。實現上述目標有兩種方法：您既可以降低LED的電流，也可以快速地開關LED。效率最低的方法是降低電流，因為光輸出并不完全與電流呈線性，并且LED的色譜往往是在電流小于額定值時才會發生變化。請不要忘記，人們對亮度的感知是指數式的，因此調光可能需要對電流進行很大更改，這對電路設計會造成很大的影響。考慮到電路的容差，滿負載電流值工作時3%的調節誤差可以造成10%負載時的30%或更高的誤差。通過電流波形的脈寬調制（PWM）進行調光更為準確，盡管這種方法存在響應速度問題。在照明和顯示器應用上，PWM需要高于100Hz的頻率，以使肉眼感覺不到閃爍。10%的脈沖寬度在毫秒范圍內，并要求電源的帶寬大于10kHz，此項工作可以通過圖9（A與C）中簡單的環路輕松地完成。圖11闡明了帶PWM調光功能的降壓功率級電路。在本例中，LED輕松地閉合/斷開電路。通過這種方式，控制環路總是處于激活狀態，并實現了極快的瞬態響應（請參見圖12）。

圖11 Q1用于對LED電流進行脈寬調制

圖12 PWM技術可實現亞微秒的LED開關速度

　　6 結語

　　LED的應用和前景我們都有目共睹，但在實際生活中仍存在不少問題，需要去解決。在汽車應用中，由于對可靠性和安全性的要求非常高，LED器件就得到了最大程度的應用。車載電氣系統對電源質量要求很高，因此，必須設計保護電路避免在電壓超過60V時出現“拋負載”現象。建筑照明LED的電源設計問題也很多，由于其經常是離線式運行，因此需要進行功率因數校正，以及對電流和亮度的控制。另外，LED正被廣泛地整合到投影和電視等產品中，此類產品要求快速的響應、控制良好的電流、以及完美的開關控制，這些都給設計人員提出了新的挑戰，也就意味著LED將趨向更廣闊的市場。