LED驅(qū)動照明電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳解

　　圖 1顯示了三種基本的電源拓?fù)涫纠Ｔ趫D1中，降壓穩(wěn)壓器會通過改變MOSFET的開啟時(shí)間來控制電流進(jìn)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(jì)難題是如何驅(qū)動 MOSFET。從性價(jià)比的角度來說，推薦使用需要浮動?xùn)艠O驅(qū)動的N通道場效應(yīng)晶體管（FET）。這需要一個(gè)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）。

　　圖1還顯示了備選的降壓穩(wěn)壓器。在此電路中，MOSFET對接地進(jìn)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(gè)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(jì)復(fù)雜化。另外，圖1中還顯示了一個(gè)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(shí)使用。由于MOSFET對接地進(jìn)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?fù)湓O(shè)計(jì)起來就很容易。該電路的一個(gè)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(xiǎn)絲或電子斷路器的形式來增加故障保護(hù)。此外，某些更為復(fù)雜的拓?fù)湟部商峁┐祟惐Ｗo(hù)。

　　圖 2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(shí)高時(shí)低時(shí)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)電阻和柵極驅(qū)動位置的兩個(gè)降壓型拓?fù)渲酗@現(xiàn)）。圖2中的降壓-升壓型拓?fù)滹@示了一個(gè)接地參考的柵極驅(qū)動。它需要一個(gè)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(gè)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(fù)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(jìn)行配置。適當(dāng)?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

　　該降壓-升壓方法的一個(gè)缺陷是電流相當(dāng)高。例如，當(dāng)輸入和輸出電壓相同時(shí)，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(fù)面的影響。在許多情況下，圖3中的“降壓或升壓型”拓?fù)鋵⒕徍瓦@些問題。在該電路中，降壓功率級之后是一個(gè)升壓。如果輸入電壓高于輸出電壓，則在升壓級剛好通電時(shí)，降壓級會進(jìn)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(jìn)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(gè)模型轉(zhuǎn)到另一模型時(shí)就不存在靜帶。

　　當(dāng)輸入和輸出電壓幾乎相等時(shí)，該電路的好處是開關(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(gè)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(diǎn)至關(guān)重要。圖3中還顯示了SEPIC拓?fù)?，此類拓?fù)湟筝^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?fù)湟粯樱哂斜?ldquo;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。

　　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(yīng)用中，最具性價(jià)比的解決方案是反激式轉(zhuǎn)換器（請參見圖4）。它要求所有隔離拓?fù)涞慕M件數(shù)最少。變壓器匝比可設(shè)計(jì)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(jì)靈活性。但其缺點(diǎn)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(gè)“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(shí)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)。

　　調(diào)光技術(shù)

　　需要對LED進(jìn)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(shí)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(guān)閉，然后使眼睛最終得到平衡。因?yàn)楣廨敵霾⒎峭耆c電流呈線性關(guān)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(shí)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?yàn)樵谌娏飨拢?%的調(diào)節(jié)誤差由于電路容差緣故可在10%的負(fù)載下放大成 30%甚至更大的誤差，因此這會對電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大的影響。盡管存在響應(yīng)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(dāng)照明和顯示時(shí)，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10kHz以上的帶寬。

　　如表2所示，在許多應(yīng)用中使用LED正變得日益普遍。它將會采用各種電源拓?fù)鋪頌檫@些應(yīng)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(shí)高時(shí)低時(shí)，采用降壓或升壓可能是顯而易見的選擇。但是，當(dāng)輸入和輸出電壓的關(guān)系并非如此受抑制時(shí)，該選擇就變的更加困難，需要權(quán)衡許多因素，其中包括效率、成本和可靠性。