LED驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)的選擇及示例分析

在現(xiàn)代的照明市場中，LED已經(jīng)占據(jù)了半壁天下。這種全新的照明技術(shù)已經(jīng)成功的進入到了我們的生活當中。隨著市場需求的增加，從事LED設(shè)計的人員也越來越多。對于新手來說，初級LED照明電路的設(shè)計并不算難，但是拓撲電路的選擇往往會成為一個比較讓人頭疼的問題。本篇文章將對LED驅(qū)動電源的拓撲結(jié)構(gòu)選擇進行指導(dǎo)。

LED驅(qū)動電源的拓撲結(jié)構(gòu)選擇

圖1 LLC半橋諧振拓撲結(jié)構(gòu)

在LED驅(qū)動電路當中，經(jīng)常會添加帶有變壓的交流到直流電源轉(zhuǎn)換功能，其中包含了反激、正激及半橋等拓撲結(jié)構(gòu)。如圖1所示，其中反激拓撲結(jié)構(gòu)是功率小于30 W的中低功率應(yīng)用的標準選擇，而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關(guān)頻率有關(guān)，且多數(shù)隔離型LED 驅(qū)動器基本上采用“電子”變壓器。

圖2是設(shè)計當中比較常見的一些直流驅(qū)動方式。這種驅(qū)動方式相較于其他的方法來說設(shè)計簡單、成本低廉，并且最大的特點是不受到EMC的干擾，但也有不足，就是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。采用DC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，可以采用的LED驅(qū)動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等，電阻型驅(qū)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，線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)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(shè)定點，不足在功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關(guān)穩(wěn)壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(guān)(FET)的開和關(guān)，進而控制電流的流動。

高能效是開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點，但是更高的能效產(chǎn)生就意味著更多的成本投入，不僅如此，開關(guān)穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，并且無法擺脫EMI的問題。LED DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)、單端初級電感轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc驅(qū)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(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc驅(qū)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(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc或12 Vac驅(qū)動4顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。

從最初的簡單電路構(gòu)造，發(fā)展到先如今的直流電源直接驅(qū)動，LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了較為長遠的一段發(fā)展時間。直流電源驅(qū)動的應(yīng)用示意圖如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)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(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC轉(zhuǎn)換所帶來的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中LED在低頻開關(guān)，故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)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。

LED拓撲選擇示例分析

圖4當中給出的表格是LED驅(qū)動拓撲選擇的參考，這里列出的是比較常用的幾個，黑色的圓點表示在此種情況下應(yīng)該選擇哪種拓撲結(jié)構(gòu)。如果只是使用較為簡易的電阻器或線性穩(wěn)壓器來驅(qū)動LED的話，也是可以的。但是此類方法通常會浪費過多功率。所有相關(guān)的設(shè)計參數(shù)包括輸入電壓范圍、驅(qū)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(qū)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。

在圖5當中給出了三種較為基本的拓撲，前兩個為BUCK型，最后一個為BOOST型。第一個示意圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器適用于輸出電壓總體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(yīng)可通過測量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應(yīng)與LED串聯(lián)。對該方法來說，重要的設(shè)計難題是如何驅(qū)動MOSFET。從性價比的角度來說，推薦使用需要浮動柵極驅(qū)動的N通道場效應(yīng)晶體管(FET)。這需要一個驅(qū)動變壓器或浮動驅(qū)動電路(其可用于維持內(nèi)部電壓高于輸入電壓)。

相信稍有基礎(chǔ)的人都能看出來，圖5當中的第二個電路為備選的降壓穩(wěn)壓器，其中的MOSFET對接地進行驅(qū)動，從而大大降低了驅(qū)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(yīng)電阻來感應(yīng) 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(shè)計復(fù)雜化。

另外，圖5中還顯示了一個升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)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(qū)動并且電流感應(yīng)電阻也采用接地參考，因此此類拓撲設(shè)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。但是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(fù)雜的拓撲也可提供此類保護。

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當中的電路一般在輸出電壓和輸入電壓較為不穩(wěn)定，呈現(xiàn)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(guān)電流感應(yīng)電阻，以及柵極驅(qū)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(qū)動。它需要一個電平移位的電流感應(yīng)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(yīng)和電平移位的柵極驅(qū)動。如果控制IC與負輸出有關(guān)，并且電流感應(yīng)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)目刂艻C，就能直接測量輸出電流，并且MOSFET也可被直接驅(qū)動。

圖7 降壓或升壓型以及 SEPIC 拓撲提供了更高的效率

但是這種方法存在一定的缺陷，就是電流會比較高。如，輸出電壓和輸入電壓相同時，電感和電源開關(guān)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(yù)留一些重疊，因此從一個模型轉(zhuǎn)到另一模型時就不存在靜帶。

當然該電路也是有優(yōu)點存在的，就是當輸出和輸入的電壓對等時，開關(guān)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(guān)，通常效率也會得到顯著的提高，在電池應(yīng)用中這一點至關(guān)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(qū)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(guān)電流，這就要求電容器可通過更大的 RMS 電流。

當然，在考慮效率的基礎(chǔ)上，所有的效率就都應(yīng)出于對安全的考慮，一般來說都會規(guī)定在離線電壓和輸出電壓之間使用隔離。在此應(yīng)用中，最具性價比的解決方案是反激式轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(yīng)力。在穩(wěn)定照明應(yīng)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)。

現(xiàn)如今，很多的應(yīng)用中都開始使用LED，而LED則要使用相應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)來進行配合 。一般來說，決定使用哪個LED拓撲結(jié)構(gòu)的，通常是輸入電壓、輸出電壓和隔離需求等因素。在輸出輸入電壓不穩(wěn)定的情況下，使用降壓或著升壓的方法來應(yīng)對是正確的選擇。但是當輸入輸出電壓處于較為穩(wěn)定的情況下時，選擇機會變得比較困難，所以希望通過本篇，能夠幫助大家積累在這方面的知識。