LED的高效驅(qū)動分析與典型應(yīng)用方案

　　圖4 量化顯示了由于紋波電流造成的LED功耗的升高。與LED的散熱時間常量相比，由于紋波頻率較高，因此，高紋波電流(以及高峰值功耗)不會影響峰值結(jié)溫，它是由平均功耗確定的。LED的高壓降如一個電壓源，因此，電流波形對功耗沒有影響。不過，壓降有一個電阻分量，并且功耗由電阻乘以均方根 (RMS)電流的平方確定。

　　圖4：紋波電流增加了LED的功耗

　　圖4 也闡明了即使在紋波電流較大的時候，對功耗也沒有重大影響。例如，50%的紋波電流僅增加不足5%的功率損耗。當(dāng)大大超過此水平時，需要減小電源的DC電流以保持結(jié)溫不變，從而維持半導(dǎo)體的使用壽命。經(jīng)驗(yàn)法則顯示，結(jié)溫每降低10%，半導(dǎo)體使用壽命就會延長兩倍。并且，許多設(shè)計(jì)都傾向于更小的紋波電流，這是因?yàn)殡姼衅鞯南拗?。絕大多數(shù)電感的設(shè)計(jì)處理能力小于20%的Ipk/Iout紋波電流比率。

　　典型應(yīng)用

　　LED 中的電流在很多情況下都是由鎮(zhèn)流電阻或線性穩(wěn)壓器控制的。不過，本文主要講述的是開關(guān)穩(wěn)壓器。在驅(qū)動 LED 時常用的三種基本電路拓?fù)錇椋航祲和負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系。

　　在輸出電壓始終小于輸入電壓的情況下，應(yīng)使用降壓穩(wěn)壓器，圖5顯示了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路中，對電源開關(guān)的占空比 (duty factor) 進(jìn)行了控制，以在輸出濾波器電感 L1 上確立平均電壓。當(dāng)FET開關(guān)閉合時(TPS5430 內(nèi)部)，其將輸入電壓連接到電感器，并在L1中構(gòu)建電流。D2為環(huán)流二極管 (catch diode)，可提供開關(guān)斷開時的電流路徑。電感器可對流過LED的電流起到平滑的作用，該工作可通過用電阻監(jiān)控(測量)LED電流，并將電壓與控制芯片內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，最終進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升，從而也導(dǎo)致了電流的升高。該電路具有極佳的效率，因?yàn)殡娫撮_關(guān)、環(huán)流二極管以及電流感測電阻上的壓降非常低。

　　圖5：降壓LED驅(qū)動器逐步降低輸入電壓

　　當(dāng)輸出電壓總是比輸入電壓大時，最好采用升壓轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。該電路的U1有一個帶有控制電子器件的高度集成的電源開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時，電流流過電感器到接地。當(dāng)開關(guān)斷開時，U1的引腳 1 電壓會升高，直到D1導(dǎo)通。然后電感器放電，電流進(jìn)入輸出電容器(C3)和LED串。在絕大多數(shù)應(yīng)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(xù)續(xù)的。也就是說，它會在零和電感電流之間切換，這會導(dǎo)致 LED 熱量增加(從而縮短使用壽命)，亮度減少。在前面的例子中，LED 的電流是通過一個電阻感測的，并且占空比會發(fā)生相應(yīng)的變化。請注意，本拓?fù)浯嬖谝粋€嚴(yán)重的問題，即它沒有短路保護(hù)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(dǎo)致電路失效，或者輸入電壓崩潰。

　　圖6：高度集成的升壓LED驅(qū)動器逐步升高輸入電壓

　　許多時候輸入電壓范圍變化很大，可以高于或低于輸出電壓，此時降壓拓?fù)浜蜕龎和負(fù)浣Y(jié)構(gòu)就不起作用了。并且，可能在升壓應(yīng)用中需要短路保護(hù)。在這些情況下，就需要使用降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖7)。當(dāng)電源開關(guān)閉合、電感器有電流通過時，該電路就相當(dāng)于升壓電路;當(dāng)電源開關(guān)斷開時，電感器開始放電，電流進(jìn)入輸出電容和 LED。不過，輸出電壓不是正的，而是負(fù)的。此外，請注意本拓?fù)渲胁淮嬖谏龎恨D(zhuǎn)換電路中出現(xiàn)的短路問題，因?yàn)槠渫ㄟ^使電源開關(guān)Q1開路，提供了短路保護(hù)功能。該電路的另一個特性是，雖然它是一個負(fù)的輸出，但并不需要對傳感電路的電平進(jìn)行切換。在本設(shè)計(jì)中，控制芯片接地到負(fù)的輸出，并且可直接測量電流感測電阻R100上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個LED，但是通過串聯(lián)可以連接許多LED。電壓的上限是控制芯片的最大額定電壓;輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過該限值。

　　圖7：降壓/升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍