為不同 DC-DC LED 照明應(yīng)用選擇適合的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案

高亮度LED的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。要使LED照明系統(tǒng)能夠提供期望的長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，必須選擇恰當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED">LED驅(qū)動(dòng)方案。就LED建筑物及室內(nèi)照明應(yīng)用而言，輸入電源通常是交流(AC)主電源。而景觀照明、低壓道路照明、太陽(yáng)能供電照明等戶外照明應(yīng)用，以及汽車(chē)照明、應(yīng)急車(chē)輛照明、船舶應(yīng)用及飛機(jī)內(nèi)部照明等應(yīng)用，則可能采用離線交流適配器、密封鉛酸電池及12V直流(DC)和12V AC電源等輸入電源，電壓一般都低于40V。這些LED照明應(yīng)用中，某些輸入電源的穩(wěn)壓精度較低，如汽車(chē)或太陽(yáng)能供電、船舶應(yīng)用中的鉛酸電池的電壓范圍可能在直流8至超過(guò)14V之間，汽車(chē)應(yīng)用中電壓范圍甚至為更寬的7～27V。這就要求LED驅(qū)動(dòng)器能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，并能配置為不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配合負(fù)載要求。

典型DC/DC LED驅(qū)動(dòng)方案比較
LED驅(qū)動(dòng)方案的一項(xiàng)主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)方案必須符合能效、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。同時(shí)，所選方案必須易用及足夠強(qiáng)固，從而適應(yīng)特定應(yīng)用的嚴(yán)格環(huán)境。

典型DC/DC LED驅(qū)動(dòng)方案包括電阻、恒流穩(wěn)流器(CCR)、線性驅(qū)動(dòng)器及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器等。電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的LED穩(wěn)流方案。但實(shí)際上它們并不“穩(wěn)流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起LED亮度變異時(shí)，簡(jiǎn)單地限制LED最大電流。對(duì)于低電流指示器應(yīng)用而言，這可能可以接受；但隨著電流增大及串聯(lián)的LED數(shù)量增加，就變得有問(wèn)題了。要克服這個(gè)問(wèn)題，需要費(fèi)錢(qián)又費(fèi)時(shí)地對(duì)LED進(jìn)行編碼及選擇恰當(dāng)?shù)碾娮鑱?lái)匹配LED串正向電壓。即使采取這些步驟，仍然會(huì)有由輸入電壓變化導(dǎo)致的亮度變化問(wèn)題。

CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅(qū)動(dòng)器或開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的方案，適合于電流小于200mA的低電流LED照明應(yīng)用。CCR易于設(shè)計(jì)，能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性。CCR的主要局限是輸入電壓必須始終高于輸出正向電壓以恰當(dāng)工作，而且它們能效較低，熱耗散較高。

線性驅(qū)動(dòng)器支持多條線路并行配置以擴(kuò)散熱耗散，提供達(dá)±2%的穩(wěn)流精度，無(wú)電磁干擾(EMI)問(wèn)題，成本中等，但能效也較低。

憑借高能效及靈活等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器廣泛使用。這種方案成本更高，技術(shù)更復(fù)雜，但也提供顯著優(yōu)勢(shì)，如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，且根據(jù)輸入/輸出條件，能效能夠高于90%。與線性驅(qū)動(dòng)器不同，它們對(duì)EMI很敏感，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)需要注意的設(shè)計(jì)約束。對(duì)于中到大功率應(yīng)用或涉及寬輸入電壓范圍的應(yīng)用而言，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇；且許多應(yīng)用中優(yōu)化了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器型LED驅(qū)動(dòng)器，從而應(yīng)用LED調(diào)光控制。

LED開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
根據(jù)輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系，我們可將LED DC/DC開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器/穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為降壓、升壓及降壓-升壓等不同類型，并相應(yīng)作簡(jiǎn)要分析。

降壓：適合于所有工作條件下最小輸入電壓始終高于LED串最大電壓的應(yīng)用(見(jiàn)圖1a)。例如，以12V電源驅(qū)動(dòng)單顆功率為1W的LED時(shí)，使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 典型DC/DC LED開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理是：開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過(guò)電感向負(fù)載供電，同時(shí)也向輸出電容充電。這個(gè)過(guò)程中，電感及輸出電容儲(chǔ)存能量。開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在電感中的電流不能突變，電感通過(guò)自感產(chǎn)生右正、左負(fù)的脈沖電壓，這時(shí)電感、輸出電容及續(xù)流二極管構(gòu)成放電回路，回路電流繼續(xù)在電容兩端建立直流電壓，并由此直流電壓為負(fù)載供電。從能量關(guān)系可以看出，這種情況下輸出電壓始終低于輸入電壓，提供降壓效果。

升壓：適合于所有工作條件下最大輸入電壓始終低于LED串最小電壓時(shí)的應(yīng)用。例如，以5V電源驅(qū)動(dòng)6顆LED時(shí)，使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1b)。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理是：閉合導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)電感的電流增加，在電感中積累能量；開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感電流通過(guò)二極管流向輸出電容。由于儲(chǔ)存來(lái)自電感的電流，多個(gè)開(kāi)關(guān)周期后，輸出電容的電壓升高，結(jié)果輸出電壓就高于輸入電壓，從而提供升壓效果。

降壓-升壓，或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)：適合于輸入電壓與輸出電壓有交迭的應(yīng)用。如以12V汽車(chē)電池驅(qū)動(dòng)4顆LED時(shí)，可使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1c)。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理非常簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，輸入電壓直接連接至電感，從而在電感中積聚能量。在這個(gè)階段，電容C為輸出負(fù)載提供能量。開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電感通過(guò)續(xù)流二極管連接至輸出負(fù)載及電容，從而傳輸能量給負(fù)載。這是一種反向(inverting)輸出，負(fù)輸出連接至LED的陽(yáng)極，而正輸出連接至LED的陰極。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提供眾多優(yōu)勢(shì)，如提供更高能效、更小外形因數(shù)及更低成本等。

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED DC/DC開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案及其應(yīng)用
1 降壓驅(qū)動(dòng)器方案
典型LED DC/DC降壓應(yīng)用有如在線槽燈、書(shū)架燈及展示柜燈等中使用的高亮度模塊化燈條，一般每條(11.5×1英寸)4顆LED，根據(jù)顏色的不同，光效為23～47lm/W，電壓為23～25V。

圖2 不同LED DC-DC降壓驅(qū)動(dòng)器方案