LED電源設計的線性和開關式結合方案

　　為控制亮度，發(fā)光二極管(LED)需要恒定電流。把一只電阻器與一組LED串聯即可實現此點。由于一組LED的電壓和供電電壓都可能發(fā)生改變，因而必須使用專用的LED驅動保證電流的精準。以下兩種方案使用廣泛：線性恒流LED驅動器和步進降壓開關式轉換器，它們均有各自的優(yōu)勢和劣勢。

　　線性驅動是簡單的方案，所需元件極少且基本無噪音。但是，其耗散的熱量和供電電壓與LED正向電壓之差成正比。為防止過熱，其封裝可能需要在PCB上額外劃分一個散熱區(qū)，這就增加了所需PCB的成本和數量，同時也增加了驅動IC因熱關斷，從而關閉LED的風險。

　　圖1 LM393比較器監(jiān)測LED串的低側電壓，并使能降壓穩(wěn)壓器(CAT4201)或線性穩(wěn)壓器(CAT4101)。

　　如果此驅動被置于LED旁，額外的熱量會使LED以更高的溫度運行，從而減少其壽命。降壓(或buck)轉換器效率高，產生的熱量很少，但是開關式方案需要一只電感和一個肖特基二極管。這個方案也會產生噪音，尤其是當供應電壓快降至LED正向電壓時。在汽車應用中，射頻干擾(RFI)是一個重要的考慮因素。建議在開頭式轉換器前面置放EMI/RFI濾波器，以阻止高頻轉換產生的噪音返回電源，因為它有可能干擾到AM/FM波段收音機等設備。

　　在降壓變換器性能不良，用盡余量時，線性驅動器的運行則是最佳的。為避免劣勢，發(fā)揮兩種方案的優(yōu)勢，可以采取將線性與降壓相結合的方案，在保證效率的同時將轉換噪音降至最低。

　　理想情況下，電池電壓的波動幅度很大。如汽車應用場景下(8v至17v)，線性/降壓驅動器能提供所需的較低噪音運行環(huán)境和較高的效率。當應用電壓升至限值以上時，LED驅動器則轉換為降壓模式，從而避免線性驅動器過熱。

　　本文中的電路可單獨選擇每個LED驅動器在開關模式和線性模式之間切換時的可調電壓閾值，并有額外遲滯以確保轉換順利進行。圖1顯示的原理圖采用了安森美半導體公司的CAT4201 350-mA降壓驅動器，以及CAT4101 1A恒流LED驅動器，圖中也顯示了邏輯比較器。較常見的降壓結構有一個高側開關和一個低側二極管，CAT4201則不同，它互換了這些器件。

　　與典型的降壓開關器相同，當開關接通時，流經感應器L和LED的電流會增加，直至達到峰值，即：LED平均電流的兩倍。之后開關關閉。已充電的電感會迫使電流繼續(xù)流經肖特基二極管D1及LED，直到其值變?yōu)榱?。而后該循環(huán)又開始重復。這一開關式運行被稱為臨界導通模式。

　　R1/R2電阻分壓器產生出相當于負極電壓幾分之一的V+.如果比較器(LM393)的輸入電壓高于固定的基準電壓值2.5V，則輸出為高;OUT為低，禁用線性驅動器而使能降壓轉換器。如果V+低于基準電壓，則比較器輸出為低，使能線性驅動器而禁用降壓轉換器。反饋電阻器R5增加了0.6V的遲滯，即一旦負極電壓超過3.6V，降壓轉換器就會起動;當負極電壓降至3V以下時，線性驅動器則會接手。注意，如果LM393的另一半沒有用于其它LED電源，更好的設計方法是將LM393上所有未用的輸入和輸出引線都接地。

　　圖2顯示了單用降壓轉換器，以及線性/降壓驅動器合用時的LED電流調節(jié)情況。與單用降壓轉換器相比，線性/降壓驅動器可將LED電流調節(jié)擴展至低于8V的電源電壓，即使電池電壓繼續(xù)下降，它也能使LED保持點亮。電源電壓低于11V時，僅用降壓轉換器會損失其精度，并產生回到電源的更多開關紋波電流。EMI濾波器更難以抑制較低頻率下的紋波電流。另一方面，在相同的供電電壓范圍內，線性驅動器則提供了更高的調節(jié)和無噪音運行環(huán)境。

　　盡管增加了元件數，但對于要求低噪音性能與擴展電源區(qū)間的應用，線性/降壓聯合方案還是有價值的。可以設置線性到降壓的過渡電壓值，以獲得最佳散熱性能。

　　圖2 與僅用降壓轉換器相比，線性/降壓電流阱可將電流的調節(jié)范圍擴展至更低的電源電壓(8V以下)，并降低低電量情況下的EMI.因此，LED在電池電壓低的情況下也可保持點亮。