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第二講:LED驅動電源拓撲結構如何選擇?

發(fā)布時間:2013-04-17 責任編輯:abbywang

【導讀】隨著 LED 的生產(chǎn)成本下降,其使用愈發(fā)普遍,所涵蓋的應用范圍從手持終端設備到車載,再到建筑照明。但驅動 LED 并非沒有挑戰(zhàn),本文對 LED 特性及驅動 LED 時需要權衡的因素作了概述,并對適用于驅動 LED 和進行 LED 調(diào)光的各種開關電源拓撲進行了詳 盡的討論,此外還詳細說明了這些電源的相關優(yōu)點。


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能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡 200mS 的響應時間相比,LED 會在短短 5nS 響應時間內(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。

驅動 LED

驅動 LED 并非沒有挑戰(zhàn)。可調(diào)的亮度需要用恒定電流來驅動 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。

當通過降壓穩(wěn)壓器驅動 LED 時,LED 常常會根據(jù)所選的輸出濾波器排列來傳導電感的 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。這樣就可提高結溫并對 LED 的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們設定一個 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。如果遠遠超過上面的損耗水平,那么就需要降低來自電源的 AC 紋波電流以便使結溫和工作壽命保持不變。 一條非常有用的經(jīng)驗法則是結溫每降低 10 攝氏度,半導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)設計就 趨向于更低的紋波電流。此外,LED 中的峰值電流不應超過廠商所規(guī)定的最大安全工作電流額定值。

LED驅動電源的拓撲結構選擇分析

采用AC-DC電源的LED照明應用中,電源轉換的構建模塊包括二極管、開關(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換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構,參見圖3,其中反激拓撲結構是功率小于30 W的中低功率應用的標準選擇,而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言,其尺寸的大小與開關頻率有關,且多數(shù)隔離型LED驅動器基本上采用“電子”變壓器。

圖2:常見的DC-DC LED驅動方式
圖1:LLC半橋諧振拓撲結構

采用DC-DC電源的LED照明應用中,可以采用的LED驅動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關穩(wěn)壓器等,基本的應用示意圖參見圖4。電阻型驅動方式中,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,這種驅動方式易于設計、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)壓器同樣易于設計且沒有EMC問題,還支持電流穩(wěn)流及過流保護(fold back),且提供外部電流設定點,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。開關穩(wěn)壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關,進而控制電流的流動。

圖2:常見的DC-DC LED驅動方式
圖2:常見的DC-DC LED驅動方式

開關穩(wěn)壓器具有更高的能效,與電壓無關,且能控制亮度,不足則是成本相對較高,復雜度也更高,且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC開關穩(wěn)壓器常見的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(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構,如采用24 Vdc驅動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構,如采用12 Vdc驅動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結構,如采用12 Vdc或12 Vac驅動4顆串聯(lián)的LED,但這種結構的成本及能效最不理想。

采用交流電源直接驅動LED的方式近年來也獲得了一定的發(fā)展,其應用示意圖參見圖5。這種結構中,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通。這種結構具有其優(yōu)勢,如避免AC-DC轉換所帶來的功率損耗等。但是,這種結構中LED在低頻開關,故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外,在這種設計中還需要加入LED保護措施,使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

圖3:直接采用交流驅動LED的示意圖
圖3:直接采用交流驅動LED的示意圖

LED拓撲選擇示例分析

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第一講:LED驅動電源設計的考慮要素及通用要求
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LED拓撲選擇示例分析

圖4中所顯示的信息有助于為 LED 驅動器選擇最佳的開關拓撲。除這些拓撲之外,您還可使用簡易的限流電阻器或線性穩(wěn)壓器來驅動 LED,但是此類方法通常會浪費過多功率。所有相關的設計參數(shù)包括輸入電壓范圍、驅動的 LED 數(shù)量、LED 電流、隔離、EMI 抑制以及效率。大多數(shù)的 LED 驅動電路都屬于下列拓撲類型:降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC 和反激式拓撲。

圖4:備選的LED 電源拓撲
圖4:備選的LED 電源拓撲

圖5 顯示了三種基本的電源拓撲示例。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入 LED。電流感應可通過測量電阻器兩端的電壓獲得,其中該電阻器應與 LED 串聯(lián)。對該方法來說,重要的設計難題是如何驅動 MOSFET。從性價比的角度來說,推薦使用需要浮動柵極驅動的 N 通道場效 應晶體管 (FET)。這需要一個驅動變壓器或浮動驅動電路(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 對接地進行驅動,從而大大降低了驅動電路要求。該電路可選 擇通過監(jiān)測 FET 電流或與 LED 串聯(lián)的電流感應電阻來感應 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 使簡單的設計復雜化。另外,圖5中還顯示了一個升壓轉換器,該轉換器可在輸出電壓總是大于輸入電壓時使用。由于 MOSFET 對 接地進行驅動并且電流感應電阻也采用接地參考,因此此類拓撲設計起來就很容易。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。此外,某些更為復雜的拓撲也可提供此類保護。

圖5:簡單的降壓和升壓型拓撲為LED 供電
圖5:簡單的降壓和升壓型拓撲為LED 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 在有關電流感應電阻和柵極驅動位置的兩個降壓型拓撲中顯現(xiàn))。圖6中的降壓-升壓型拓撲顯示了一個接地參考的柵極驅動。它需要一個電平移位的電流感應信號,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和電平移位的柵極驅動。如果控制 IC 與負輸出有關,并且電流感應電阻和 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行配置。適當?shù)目刂?IC,就 能直接測量輸出電流,并且 MOSFET 也可被直接驅動。

圖6:降壓-升壓型拓撲可調(diào)節(jié)大于或小于 Vout 的輸入電壓
圖6:降壓-升壓型拓撲可調(diào)節(jié)大于或小于 Vout 的輸入電壓

該降壓-升壓方法的一個缺陷是電流相當高。例如,當輸入和輸出電壓相同時,電感和電源開關電流則為輸出電流的兩倍。這會 對效率和功耗產(chǎn)生負面的影響。在許多情況下,圖7中的“降壓或升壓型”拓撲將緩和這些問題。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,則升壓級會進行 調(diào)節(jié)而降壓級則通電。通常要為升壓和降壓操作預留一些重疊,因此從一個模型轉到另一模型時就不存在靜帶。

當輸入和輸出電壓幾乎相等時,該電路的好處是開關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,通常效率也會得到顯著的提高,在電池應用中這一點至關重要。圖7中還顯示了 SEPIC 拓撲,此類拓撲 要求較少的 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-升壓拓撲一樣,它具有比“降壓或升壓”和脈動輸出電流更高的開關電流,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 拓撲提供了更高的效率
圖7:降壓或升壓型以及 SEPIC 拓撲提供了更高的效率

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。在此應用中,最具性價比的解決方案是反激式轉換器(請參見圖8)。它要求所有隔離拓撲的組件數(shù)最少。變壓器匝比可設計為降壓、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力。在穩(wěn)定照明應用中,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:反激式轉換器可提供隔離和功率因數(shù)校正功能
圖8:反激式轉換器可提供隔離和功率因數(shù)校正功能

調(diào)光技術

需要對 LED 進行調(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。請記住:人對亮度的感知成指數(shù)倍增,因此調(diào)光就需要電流出現(xiàn)更大的百 分比變動。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% 的負載下放大成 30% 甚至更大的誤差,因此這會對電路設 計產(chǎn)生重大的影響。盡管存在響應速度問題,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 10 kHz 以上的帶寬。

結論

如圖9所示,在許多應用中使用 LED 正變得日益普遍。它將會采用各種電源拓撲來為這些應用提供支持。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,當輸入和輸出電壓的關系并非如此受抑制時,該選擇就變的更加困難,需要權衡許多因素,其中包括效率、成本和可靠性。

圖9:許多 LED 應用都規(guī)定了多種電源拓撲
圖9:許多 LED 應用都規(guī)定了多種電源拓撲

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第一講:LED驅動電源設計的考慮要素及通用要求
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