LED驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介

LED驅(qū)動(dòng)器(LED Driver)，是指驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光或LED模塊組件正常工作的電源調(diào)整電子器件。由于LED PN結(jié)的導(dǎo)通特性決定，它能適應(yīng)的電源的電壓和電流變動(dòng)范圍十分狹窄，稍許偏離就可能無(wú)法點(diǎn)亮LED或者發(fā)光效率嚴(yán)重降低，或者縮短使用壽命甚至燒毀芯片?，F(xiàn)行的工頻電源和常見(jiàn)的電池電源均不適合直接供給LED，LED驅(qū)動(dòng)器就是這種可以驅(qū)使LED在最佳電壓或電流狀態(tài)下工作的電子組件。

由于LED應(yīng)用幾乎遍及電子學(xué)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，其發(fā)光強(qiáng)度，光色以及通斷控制等變化幾乎是無(wú)法預(yù)估的，所以LED驅(qū)動(dòng)器也就成為幾乎是一對(duì)一的伺服器件，使這個(gè)器件家族成員變得五花八門(mén)。最簡(jiǎn)單的LED驅(qū)動(dòng)器(如果能這樣稱(chēng)呼它的話)可能就是一個(gè)或幾個(gè)串并聯(lián)的阻容元件在回路中分流分壓，它根本不成其為一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品。而對(duì)于要求提供穩(wěn)定的恒流恒壓輸出的更普遍的商業(yè)應(yīng)用，則形成了一系列有精確的電源調(diào)整能力的系統(tǒng)解決方案。實(shí)現(xiàn)這些解決方案，通常需要比較復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，其核心是LED驅(qū)動(dòng)IC的集成化應(yīng)用。通過(guò)在LED驅(qū)動(dòng)IC外圍設(shè)置不同的支持電路，構(gòu)建針對(duì)不同的LED應(yīng)用解決方案，小到手機(jī)顯示屏背光和按鍵燈光驅(qū)動(dòng)，大到大功率LED路燈和大型戶外LED顯示屏等。

比較通用的大功率LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)和供應(yīng)，一般都由專(zhuān)業(yè)公司擔(dān)當(dāng)。這些公司將其二次封裝成模塊后供應(yīng)給LED終端應(yīng)用產(chǎn)品制造商。而不太通用的LED終端應(yīng)用產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可能需要自己動(dòng)手設(shè)計(jì)。它成為這個(gè)LED終端應(yīng)用產(chǎn)品獨(dú)具技術(shù)含量的重要組成部分。因?yàn)樽鳛榉庋b產(chǎn)品的LED在上游，其技術(shù)性能已經(jīng)固化在LED產(chǎn)品中，而打造獨(dú)具特色的終端LED應(yīng)用產(chǎn)品，對(duì)光源而言除了在LED驅(qū)動(dòng)功能上下功夫之處，其它還可以打拼的地方已經(jīng)不多了。

由于LED驅(qū)動(dòng)器在LED應(yīng)用產(chǎn)品上的獨(dú)到重要性和廣泛的用戶需求，使得作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器的心臟部件的LED驅(qū)動(dòng)IC成了整個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵元素。促使很多生產(chǎn)商，其中不乏上市公司，以LED驅(qū)動(dòng)作為其主營(yíng)產(chǎn)品，向下游產(chǎn)業(yè)大量供應(yīng)LED驅(qū)動(dòng)IC，如杭州士蘭微、深圳泉芯電子、深圳光華源科技、深圳國(guó)微電子、華潤(rùn)矽威科技，臺(tái)灣地區(qū)的點(diǎn)晶科技、聚積科技、廣鵬科技、臺(tái)晶科技、飛虹、茂達(dá)、圓創(chuàng)等等。在這領(lǐng)域的具有行業(yè)領(lǐng)袖風(fēng)范的美國(guó)廠商也不少，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司、美信、德州儀器、安森美、凌特公司、飛兆半導(dǎo)體等等。

LED驅(qū)動(dòng)電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器，通常情況下:LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。而LED驅(qū)動(dòng)電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。

根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅(qū)動(dòng)電源的特性要求，在選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn): 1.高可靠性 特別像LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費(fèi)也大。 2.高效率 LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電源的效率要高。對(duì)于電源安裝，LED驅(qū)動(dòng)電源在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對(duì)延緩LED的光衰有利。 3.高功率因素 功率因素是電網(wǎng)對(duì)負(fù)載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒(méi)有強(qiáng)制性指標(biāo)。雖然功率不大的單個(gè)用電器功率因素低一點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點(diǎn)燈，同類(lèi)負(fù)載太集中，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。對(duì)于30瓦~40瓦的LED驅(qū)動(dòng)電源，據(jù)說(shuō)不久的將來(lái)，也許會(huì)對(duì)功率因素方面有一定的指標(biāo)要求。 4.驅(qū)動(dòng)方式 通行的有兩種:其一是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會(huì)略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但靈活性差，還要解決某個(gè)LED故障，不影響其他LED運(yùn)行的問(wèn)題。這兩種形式，在一段時(shí)間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會(huì)較好。也許是以后的主流方向。 5.浪涌保護(hù) LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。 6.保護(hù)功能 電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過(guò)高。 7.防護(hù)方面 燈具外安裝型，電源結(jié)構(gòu)要防水、防潮，外殼要耐曬。 8.驅(qū)動(dòng)電源的壽命要與LED的壽命相適配。 9.要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。 隨著LED的應(yīng)用日益廣泛，LED驅(qū)動(dòng)電源的性能將越來(lái)越適合LED的要求。

(1)恒流式: a、恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高; b、恒流電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開(kāi)路。 c、恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED是較為理想的，但相對(duì)而言價(jià)格較高。 d、應(yīng)注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數(shù)量; (2)穩(wěn)壓式: a、當(dāng)穩(wěn)壓電路中的各項(xiàng)參數(shù)確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化; b、穩(wěn)壓電路不怕負(fù)載開(kāi)路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路。 c、以穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均; d、亮度會(huì)受整流而來(lái)的電壓變化影響。

(1)電阻、電容降壓方式:通過(guò)電容降壓，在閃動(dòng)使用時(shí)，由于充放電的作用，通過(guò)LED的瞬間電流極大，容易損壞芯片。易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，電源效率低、可靠性低。 (2)電阻降壓方式:通過(guò)電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，不容易做成穩(wěn)壓電源，降壓電阻要消耗很大部分的能量，所以這種供電方式電源效率很低，而且系統(tǒng)的可靠也較低。 (3)常規(guī)變壓器降壓方式:電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%~60%，所以一般很少用，可靠性不高。 (4)電子變壓器降壓方式:電源效率較低，電壓范圍也不寬，一般180~240V，波紋干擾大。 (5)RCC降壓方式開(kāi)關(guān)電源:穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可以做到70%~80%，應(yīng)用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開(kāi)關(guān)頻率不容易控制，負(fù)載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負(fù)載適應(yīng)性差。 (6)PWM控制方式開(kāi)關(guān)電源:主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩(wěn)壓控制部分、開(kāi)關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定(即相應(yīng)穩(wěn)壓電源或恒流電源)。電源效率極高，一般可以做到80%~90%，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。 3。按電源安裝位置分類(lèi) 驅(qū)動(dòng)電源按安裝位置可分為外置電源和內(nèi)置電源。 (1)外置電源 顧名思義，外置電源就是把電源安裝在外面的。一般電壓比較高，對(duì)人有安全危險(xiǎn)的，就需要外置電源。與內(nèi)置電源的區(qū)別就是電源加了一個(gè)外殼，常見(jiàn)的有路燈。 (2)內(nèi)置電源 就是把電源安裝在燈具內(nèi)，一般都是電壓比較低，12v到24v，對(duì)人沒(méi)什么安全隱患。這個(gè)常見(jiàn)的有球泡燈。

從大功率LED主要應(yīng)用市場(chǎng)----景觀燈，來(lái)分析大功率LED市場(chǎng)，景觀照明市場(chǎng)作為L(zhǎng)ED照明的最大應(yīng)用市場(chǎng)，所占的份額大約在43%。它的新一輪快速增長(zhǎng)必將帶動(dòng)整體LED照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。上海、廈門(mén)、北京、大連、南昌等一些大中型 城市的景觀照明已經(jīng)頗具規(guī)模，完成了相當(dāng)部分的 LED照明示范工程，這些在大中城市示范工程的順利完成加上在奧運(yùn)場(chǎng)館的成功運(yùn)用，預(yù)示著LED 照明在景觀照明方面的技術(shù)已漸趨成熟。不管是國(guó)內(nèi)或者國(guó)外，城市的景觀都是一個(gè)城市的標(biāo)志性建筑產(chǎn)物，而作為景觀照明的霓虹燈正在世界各地因能源，節(jié)能，環(huán)保等問(wèn)題逐漸被LED景觀燈所代替，世界各地大約有70多萬(wàn)個(gè)城市，以一個(gè)城市5000盞計(jì)算，一盞燈1000元左右計(jì)算，光這些所產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益是不可預(yù)估的。

驅(qū)動(dòng)器是LED照明的核心部件，隨著LED芯片技術(shù)的成熟，LED光源的質(zhì)量已經(jīng)非?？煽浚芏嗲闆r下LED燈具的故障都是來(lái)自驅(qū)動(dòng)器。大功率LED 驅(qū)動(dòng)電源屬于新興產(chǎn)業(yè)，尚未形成集中的產(chǎn)業(yè)聚集，因此，區(qū)域性不明顯。且進(jìn)入行業(yè)的企業(yè)數(shù)量并不多，因此，競(jìng)爭(zhēng)激烈程度較低。

LED驅(qū)動(dòng)電源存在不足的原因: (1) 生產(chǎn)LED照明及相關(guān)產(chǎn)品的公司的技術(shù)人員對(duì)開(kāi)關(guān)電源的了解不夠，做出的電源是可以正常工作，但一些關(guān)鍵性的評(píng)估及電磁兼容的考慮不夠，還是有一定得隱患; (2) 大部分LED電源生產(chǎn)企業(yè)都是從普通的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)型過(guò)來(lái)做LED電源，對(duì)LED的特點(diǎn)及使用認(rèn)識(shí)還不夠; (3) 關(guān)于LED的標(biāo)準(zhǔn)幾乎沒(méi)有，大部分都是參考開(kāi)關(guān)電源和電子整流器的標(biāo)準(zhǔn); (4) 大部分LED電源沒(méi)有統(tǒng)一，所以量大部分都比較小。采購(gòu)量小，價(jià)格就偏高，而且元器件供應(yīng)商也不太配合; (5) LED電源的穩(wěn)定性:寬電壓輸入，高溫和低溫工作，過(guò)溫、過(guò)壓保護(hù)等問(wèn)題都沒(méi)有一一解決; 首先是驅(qū)動(dòng)電路整體壽命，尤其是關(guān)鍵器件如:電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命; 其次是LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)挑戰(zhàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，尤其是在驅(qū)動(dòng)大功率LED時(shí)更是如此，因?yàn)樗形醋鳛楣廨敵龅墓β识甲鳛闊崃亢纳?，電源轉(zhuǎn)換效率的過(guò)低，影響了LED節(jié)能效果的發(fā)揮;在功率較小(1-5W)的應(yīng)用場(chǎng)合，恒流驅(qū)動(dòng)電源成本所占的比重已經(jīng)接近1/3，已經(jīng)接近了光源的成本，一定程度上影響了市場(chǎng)推廣。

一、設(shè)計(jì)特色

1、作環(huán)境溫度高(75度)

2、高能效

3、合EU CoC/CEC 2008/能源之星2.0要求，帶載模式效率高(可達(dá)86%，要求為79.6%);在265 VAC輸入時(shí)的空載輸入功率< 250 mW，要求為300 mW

4、滯過(guò)熱關(guān)斷保護(hù)

5、載斷開(kāi)保護(hù)

6、足EN55015B傳導(dǎo)EMI限制，EMI裕量>8 dB微伏

二、工作原理

圖所示為一個(gè)典型的20 V、14 W恒壓(CV)、恒流(CV)輸出的電源電路。LED陣列的光輸出量與所流經(jīng)的電流量成正比。因此，LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有恒流輸出，而不是恒壓輸出。在本設(shè)計(jì)中，DC輸出未與AC輸入隔離，因而LED陣列和外殼應(yīng)與用戶安全地隔離開(kāi)來(lái)。

AC輸入由BR1、C1和C2進(jìn)行整流和濾波。電感L1與C1和C2一起構(gòu)成一個(gè)π形濾波器，并提供EMI濾波。保險(xiǎn)絲F1在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)提供保護(hù)。為使電源在空載下正常工作而不受損壞，使用齊納二極管VR2進(jìn)行恒壓調(diào)整并使電壓保持在約21 V。

通過(guò)檢測(cè)電流檢測(cè)電阻R7上的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流特性。并聯(lián)穩(wěn)壓器IC U3與R9、R8和R8A一起來(lái)在運(yùn)算放大器U2的反向輸入端生成0.07 V的精確電壓參考。達(dá)到設(shè)定電流時(shí)，R7上的電壓將超過(guò)參考電壓，這樣會(huì)使運(yùn)算放大器的輸出增大。此時(shí)會(huì)正向偏置D4，驅(qū)動(dòng)Q1的基極，進(jìn)而將電流從U1的EN/UV引腳拉出。電容C7和電阻R11提供環(huán)路補(bǔ)償。使用運(yùn)算放大器的限流方式使電流采樣電壓最小化，從而降低了損耗，使效率最高。

只要EN/UV引腳拉出的電流超過(guò)115 μA，U1中的MOSFET都會(huì)以逐周期的方式被禁止(開(kāi)/關(guān)控制)。通過(guò)調(diào)整使能與禁止開(kāi)關(guān)周期的比例，反饋環(huán)路可以調(diào)節(jié)輸出電壓或電流。開(kāi)/關(guān)控制方式同時(shí)優(yōu)化了不同負(fù)載情況下的轉(zhuǎn)換器效率，使之符合能效標(biāo)準(zhǔn)。

由于環(huán)境溫度高，U1將在降低的電流限流點(diǎn)模式下進(jìn)行工作。這樣可以提高電源的整體效率并改善其散熱性能。初級(jí)箝位(D1、VR1、C3及R3)將最大峰值漏極電壓控制在內(nèi)部

MOSFET的700 V BVDSS擊穿電壓之下。電阻R23減小高頻漏感振蕩，從而降低EMI。次級(jí)側(cè)的輸出通過(guò)二極管D2、D3和C6進(jìn)行整流和濾波。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、要選擇快速二極管而不能選擇超快二極管，通過(guò)恢復(fù)部分漏感能量來(lái)提高效率。

2、容C3用于改善EMI性能。

3、擇電阻R10，用于在最低輸出電壓為6 V時(shí)向U3提供1 mA的供電電流。

4、U1可選電流限流點(diǎn)允許對(duì)電流限流點(diǎn)和器件大小進(jìn)行優(yōu)化選擇，以適應(yīng)環(huán)境溫度。例如，為了降低耗散，可以通過(guò)將C3從1μF更改為0.1 μF來(lái)在相同設(shè)計(jì)中使用TNY280GN器件。或者，在散熱性能較高的環(huán)境中，可以通過(guò)將C3從1μF更改為10μF來(lái)使用TNY278GN器件。

5、源在LED燈串電壓介于6 V至20 V之間時(shí)均可正確工作。但由于輸出電流恒定不變，燈串電壓越低，輸出功率就越低。

雖然在輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時(shí)，峰值電流模式控制的非連續(xù)升降壓轉(zhuǎn)換器是LED驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)不錯(cuò)選擇。但是，采用這種升降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū) 動(dòng)器時(shí)，LED電壓的變化會(huì)改變LED電流，LED開(kāi)路將導(dǎo)致輸出端產(chǎn)生過(guò)高的電壓，從而損壞轉(zhuǎn)換器。本文將詳細(xì)討論這種用于LED的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，并給出多種克服其固有缺點(diǎn)的方法。

發(fā)光二極管(LED)的應(yīng)用已有很多年，隨著最新技術(shù)的進(jìn)步，它們正逐漸成為照明市場(chǎng)中強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。新的高亮度LED具有很長(zhǎng)的壽命(約10萬(wàn)小時(shí))和很高的效率(約30流明/瓦)。過(guò)去三十多年來(lái)，LED的光輸出亮度每l8~24個(gè)月便會(huì)翻一番，而且這種增長(zhǎng)勢(shì)頭還會(huì)持續(xù)下去，這種趨勢(shì)稱(chēng)為Haitz定律，相當(dāng)于LED的摩爾定律。

從電氣上來(lái)說(shuō)，LED與二極管類(lèi)似，它們也是單向?qū)щ?盡管它們的反向阻斷能力并不太好，高的反向電壓很容易損壞(LED)，并具有與常規(guī)二極管類(lèi)似的低動(dòng)態(tài)阻抗V-I特性。另外，LED一般都有安全導(dǎo)通時(shí)的額定電流(高亮度LED的額定電流一般為350mA或700mA)。通過(guò)額定電流時(shí)，LED正向壓降的差異可能比較大，通常350mA白光LED的壓降在3~4V之間。

驅(qū)動(dòng)LED需要受控的DC電流。為了使LED的使用壽命長(zhǎng)些，LED電流中的紋波必須很低，因?yàn)楦呒y波電流會(huì)使LED產(chǎn)生較大的阻性功耗，降低LED使用壽命。LED驅(qū)動(dòng)電路需要更高效率，因?yàn)榭傮w效率不僅取決于LED本身，也與驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)。而工作于電流控制模式的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器是滿足LED應(yīng)用 的高功率及高效率要求的理想驅(qū)動(dòng)方案。

驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED也需要仔細(xì)考慮。圖1是LED的串并聯(lián)連接電路。其中圖1(a)為L(zhǎng)ED的并聯(lián)連接電路。圖1(h)是LED的串聯(lián)連接電路。由于各個(gè)LED的動(dòng)態(tài)阻抗和正向壓降不相同，因此，如果沒(méi)有外部均流電路(如電流鏡像)，就不可能保證流過(guò)LED上的電流相同;此外，由于一個(gè)LED 出現(xiàn)故障將使LED串?dāng)嚅_(kāi)，從而致使所有LED電流在剩下的LED串之間分配，這將導(dǎo)致LED串上的電流增大，從而可能損壞LED。因此，出于上面兩個(gè)原因，設(shè)計(jì)時(shí)一般不用如圖1(a)那樣的并聯(lián)LED電路。

因此，更好的做法是將LED串聯(lián)起來(lái)。但該方法的缺點(diǎn)是，如果一個(gè)LED 出現(xiàn)故障，則整個(gè)LED串將停止工作。讓剩下的LED串繼續(xù)工作的一個(gè)簡(jiǎn)單辦法是將一個(gè)齊納二極管(其額定電壓大于LED的最高電壓)與每個(gè)(或每組) LED并聯(lián)，如圖1(b)所示。這樣，任何一個(gè)LED發(fā)生故障后，其電流都會(huì)流到相應(yīng)的齊納二極管上，LED串的其余部分仍可正常工作。

基本的單階開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器可分為三類(lèi):降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和升降壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)LED串的電壓低于輸入電壓時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器圖2(a)是理想的選 擇;當(dāng)輸入電壓總是低于串輸出電壓時(shí)，則使用升壓轉(zhuǎn)換器比較合適圖2(b);當(dāng)輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時(shí)(由輸出或輸入變化引起)，則采用升降壓轉(zhuǎn)換器圖2(c)比較合適。升壓轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是，輸入電壓的任何瞬變(可使輸入電壓升高并超過(guò)輸出電壓)都會(huì)導(dǎo)致LED上流過(guò)很大電流(由于負(fù)載的低動(dòng)態(tài)阻抗)，從而損壞LED。升降壓轉(zhuǎn)換器也可代替升壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檩斎腚妷旱乃沧儾粫?huì)影響LED電流。

升降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

對(duì)于低電壓應(yīng)用中的LED驅(qū)動(dòng)器，升降壓轉(zhuǎn)換器是一種不錯(cuò)的選擇。其原因有它們可用高于和低于輸入電壓的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)LED串(升壓和降壓)、效率很高(很容易到達(dá)85%以上)、非連續(xù)工作模式可抑制輸入電壓的變化(提供優(yōu)良的線電壓調(diào)節(jié))、峰值電流控制模式允許轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)LED電流，而無(wú)需復(fù)雜的補(bǔ)償(簡(jiǎn)化設(shè)計(jì))、很容易實(shí)現(xiàn)線性和PWM LED亮度調(diào)節(jié)、開(kāi)關(guān)晶體管失效不會(huì)損壞LED等等。圖2給出了降壓、升壓和升降壓轉(zhuǎn)換器與LED串的連接電路。

但是，這種方法仍有缺點(diǎn):一是峰值電流受控問(wèn)題，因?yàn)椴捎梅沁B續(xù)電流模式的升降壓轉(zhuǎn)換器是一種功率恒定的轉(zhuǎn)換器。因此，LED串電壓的任何變化都會(huì)引起LED電流的相應(yīng)改變;另一個(gè)問(wèn)題是LED開(kāi)路狀態(tài)會(huì)在電路中產(chǎn)生損壞轉(zhuǎn)換器的高電壓;此外，還需要額外的電路將恒定功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娏鬓D(zhuǎn)換器，并需要在無(wú)負(fù)載情況下保護(hù)轉(zhuǎn)換器。

圖3所示為具體的升降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路，該控制器內(nèi)置了用于設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率的振蕩器。在開(kāi)關(guān)周 期之初，Q1導(dǎo)通。由于輸入電壓VIN加在電感上，電感電流(iL(t))開(kāi)始從零(初始穩(wěn)定狀態(tài))開(kāi)始上升。當(dāng)感應(yīng)電流上升至預(yù)先設(shè)定的電流值 (ipk)時(shí)，Q1關(guān)閉。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間(ton)由下式確定:

ton=ipkL/VIN

此時(shí)，存儲(chǔ)在電感內(nèi)的總能量(J)為:

J=Li2pk/2

這樣，盡管此時(shí)開(kāi)關(guān)會(huì)關(guān)閉，但流經(jīng)電感的電流并不會(huì)中斷。這會(huì)使二極管D1導(dǎo)通，并在電感兩端產(chǎn)生輸出電壓(-Vo)，這個(gè)負(fù)電壓會(huì)導(dǎo)致電感電流迅速下降。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間tOFF后，電感電流趨于零。此時(shí)間可通過(guò)下列公式來(lái)計(jì)算:

tOFF=ipkL/VO

為使轉(zhuǎn)換器工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式下，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與電感電流下降時(shí)間的總和必須小于或等于開(kāi)關(guān)周期TS，以便確保在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)，電感電流能夠從零開(kāi)始。

事實(shí)上，在輸入電壓最小和輸出電壓最大的情況下，(tON+tOFF)可取得最大值。因此，確保在這些電壓下轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式可保證在任何情況下都能滿足下式所列的條件: tON+tOFF≤Ts

轉(zhuǎn)換器從輸入端獲得的功率(Pin)電感中的能量與開(kāi)關(guān)頻率f的乘積:即:

Pin=fsLi2pk/2

假設(shè)LED串的電壓(VO)恒定且效率為100%，那么LED的電流(iLED)為:

iLED=PIN/VLED=Li2pkfs/2V

在峰值電流控制模式下，ipk通常是一個(gè)固定值。因此，LED電流完全獨(dú)立(理論上)于輸入電壓。在固定的ipk下，輸入電壓的上升(下降)會(huì)引起晶體管的導(dǎo)通時(shí)間成反比例減少(增加)，這將提供很好的線電壓調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，從控制IC檢測(cè)到電流峰值到GATE引腳實(shí)際關(guān)斷之間的延遲會(huì)引起 輸入功率變化。導(dǎo)通時(shí)間較短會(huì)由于延遲時(shí)間而出現(xiàn)更多誤差，因?yàn)檠舆t時(shí)間將會(huì)占導(dǎo)通時(shí)間相當(dāng)大的部分。

實(shí)際上，LED電流與LED串的電壓成反比。一個(gè)標(biāo)稱(chēng)輸出為20 V和350 mA的電路，將在10V輸出電壓時(shí)產(chǎn)生700 mA的電流，這顯然不是期望的結(jié)果。但是，通過(guò)使開(kāi)關(guān)頻率與輸出電壓成正比，上述公式提供了一種將恒定功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為恒定電壓轉(zhuǎn)換器的方法。

假設(shè)fs=KVO，其中K是常數(shù)，那么有:

iLED=kLi2pk/2

這樣，iLED將獨(dú)立于輸入和輸出電壓。

回掃轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)缺點(diǎn)是它易受輸出開(kāi)路狀態(tài)的影響。當(dāng)LED開(kāi)路時(shí)，存儲(chǔ)在電感內(nèi)的能量在每次開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的最后都會(huì)被轉(zhuǎn)移到輸出電容里。這樣，缺少電容放電的負(fù)載將導(dǎo)致電容兩端的電壓逐漸上升，最后超過(guò)器件的標(biāo)稱(chēng)值并損壞功率級(jí)。因此，可通過(guò)增加額外電路來(lái)提供輸出電壓反饋及過(guò)壓保護(hù)。

輸出電壓反饋

圖4是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)和LED開(kāi)路保護(hù)的額外電路。實(shí)際上，很多峰值電流模式控制器IC都具有專(zhuān)用的RT引腳。與該引腳相連的電阻可用來(lái)設(shè) 置內(nèi)部電流，其內(nèi)部電流用來(lái)給振蕩器電容(可以是內(nèi)部或外部)充電。振蕩器電容上的斜坡電壓控制開(kāi)關(guān)頻率，這樣，開(kāi)關(guān)頻率與RT引腳的輸出電流成正比。電阻越小(大)，電流就越大(小)，開(kāi)關(guān)頻率也就越高(低)?；谶@一原理，可利用輸出電壓反饋來(lái)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率。

在圖4所示電路中，電阻R3和R4構(gòu)成一個(gè)分壓器。R4上的電壓減去晶體管Q2基極和發(fā)射極之間的壓降(Vbe)就是R5上的電壓。因此，流經(jīng)R5的電流(IR5)為:

該電流是利用匹配的晶體管對(duì)從控制IC的引腳RT獲得的。

圖4中的電阻R2用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器。在啟動(dòng)狀態(tài)下，輸出電壓為零，因而IR5也為零。由于沒(méi)有來(lái)自控制器RT引腳的電流，所以轉(zhuǎn)換器無(wú)法啟動(dòng)。增加電阻R2可以在啟動(dòng)狀態(tài)下獲得一小部分電流，并使R2的大小滿足:

IR5>>V(RT)/R2

其中V(RT)是控制器RT引腳上的電壓。滿足該條件可確保轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)，并將R2帶來(lái)的誤差降至最低。如選R3=R4，則有:

IR5>>VO/2R5

這里假定輸出電壓比Q2的基極-發(fā)射極壓降大得多。

這樣，根據(jù)以上各公式便可以得到輸出LED電流為:

iLED=KICLi2pk/(2×2R5)

這樣，LED電流將不再?zèng)Q定于輸入或輸出電壓。采用電阻R6、晶體管Q3和齊納二極管D2可增加過(guò)壓保護(hù)功能。在LED開(kāi)路狀態(tài)下，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感存儲(chǔ)能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，該能量轉(zhuǎn)移到輸出電容上。因?yàn)闆](méi)有足夠的負(fù)載供電容放電，輸出電壓在每個(gè)周期都會(huì)逐漸升高。當(dāng)電壓升高到超過(guò)齊納二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，由D2和R6組成的齊納二極管分支電路開(kāi)始導(dǎo)通。這也提供了一條通過(guò)Q3基極電流的路徑，使Q3導(dǎo)通。此時(shí)，電阻R4實(shí)際上被短路。因此，Q2的基極發(fā)射極的PN結(jié)將關(guān)閉，導(dǎo)致R5上的電流為零。這將停止控制器的內(nèi)部振蕩直到輸出電壓降到齊納二極管電壓以下，以上過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行。這種猝發(fā)模式可將LED開(kāi)路狀態(tài)下的平均功率降至最小。這種過(guò)壓保護(hù)方法將強(qiáng)制控制IC進(jìn)入低頻、低功率的工作模式。

齊納二極管電阻分支電路上的電流必須能在R6上產(chǎn)生足夠大的電壓，以便為晶體管基極-發(fā)射極之間的PN結(jié)提供偏置。

結(jié)束語(yǔ)

在帶有輸出電流反饋的開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器中，一般還需要反饋補(bǔ)償來(lái)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器，并調(diào)節(jié)電流以達(dá)到期望的電流值。這些反饋方案的瞬態(tài)響應(yīng)性能是有限的，無(wú)法滿足LED的PWM亮度調(diào)節(jié)所需要的快速開(kāi)/關(guān)瞬態(tài)響應(yīng)。然而，本文所描述的轉(zhuǎn)換器并不要求任何反饋補(bǔ)償。該控制方案所用的唯一反饋信息是通過(guò)傳感電阻獲得流經(jīng)MOSFET的峰值電流。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器在每個(gè)周期都存儲(chǔ)所需的能量，所以它可以對(duì)瞬態(tài)做出即時(shí)響應(yīng)。因此它可以很方便地與PWM亮度調(diào)節(jié)方案 一起工作。

升降壓轉(zhuǎn)換器是低直流電壓輸入LED驅(qū)動(dòng)器的有效解決方案，無(wú)論輸出電壓高于還是低于輸入電壓，它都可以驅(qū)動(dòng)LED串。此外，還可在轉(zhuǎn)換器中增 加小型而低廉的額外電路以克服負(fù)載調(diào)節(jié)和無(wú)負(fù)載狀態(tài)下的問(wèn)題。該轉(zhuǎn)換器易于實(shí)現(xiàn)，且在峰值電流模式控制時(shí)無(wú)需進(jìn)行反饋補(bǔ)償沒(méi)計(jì)。它所具有的開(kāi)環(huán)特性也使之成為那些需要PWM亮度調(diào)節(jié)的應(yīng)用中的理想選擇。