LED照明知識：Boost和Buck-Boost時機

　　LED光源生產(chǎn)商和設計者經(jīng)常會提到固態(tài)發(fā)光的應用最明顯的優(yōu)勢就像是“樹上掛得很低的水果”。例如花園路徑照明或者MR16杯燈常常只需要一些甚至只要一個LED(圖1)。對于低壓照片來說，最通用的電壓是12 VDC、24 VDC和12 VAC。這些應用常常要用到一個Bulk調節(jié)器。雖然如前所述，Bulk是首選，但是在LED照明應用中，隨著LED數(shù)量的增加，Boost調節(jié)器也得到了越來越多的應用。設計者們不再滿足于手電筒或者單個杯燈應用，而把目光投到大尺寸通用照明和達到幾千流明的照明系統(tǒng)。例如街燈、公寓和商業(yè)照明、體育場照明和建筑內外裝飾照明。

　　圖1：帶有Vo計算的Bulk和Boost LED驅動：buck: VO = n x VF, VO VIN; boost: VO = n x VF, Vo > VIN。

　　仍然需要常電流

　　如同線性和Buck衍生LED驅動一樣，Boost LED驅動設計中的主要技術挑戰(zhàn)是要給陣列中的每個LED提供一個可控前向電流IF。理想狀態(tài)下，每個LED都有安裝一個單組鏈來確保通過每個設備的電流都相同。當需要把輸入DC電壓提升到一個高DC輸出電壓的時候，Boost調節(jié)器是最簡單的選擇，因為它允許在給定電壓下串聯(lián)更多的LED。通用照明系統(tǒng)設計者通常需要把線路電壓設計成110 VAC 或者 220 VAC。如果功率因數(shù)校正（PFC）、隔離和線路諧波濾波都不需要的話，那么單級非隔離轉換器（buck, boost, 或各種buck-boost拓撲）就可以使用AC電壓的校正輸出來直接驅動長串的串接LED。

　　然而，在很多情況下，我們需要使用一個中間DC總線電壓，它是由一個采用了通用AC輸入并且PFC、隔離和濾波的AC/DC調節(jié)器產(chǎn)生的。包括法律要求在內，一個低中間電壓總線降低了電介質擊穿和電弧問題，使維修人員的的工作更安全。歐盟提出了世界上最嚴格的法律規(guī)定：任何高于25瓦的光源都要具有PFC。沒有幾年，北美和亞洲也做出了同樣的規(guī)定。諸如UL和CE這樣的安全標準電氣規(guī)定限制了供給boost LED驅動的AC/DC供電輸出電壓。通常電壓規(guī)定為12和24V，有時是48V。這些中間電壓總線很少超過60V，也就是UL Class 2 定為DC電壓的最高值。

　　Boost挑戰(zhàn)

　　不管我們是否要控制輸出電壓或輸出電流，Boost調節(jié)器都要比Buck調節(jié)器更難設計。持續(xù)導通狀態(tài)（CCM）Boost轉換器中的平均感應電流等于負載電流（LED電流）乘以1/(1 - D)，這里D是占空度。Boost電壓調節(jié)器需要設計者考慮到輸入電壓的限制來保證電感的正確設計，特別是額定峰值電流。Boost LED驅動加了一個可變輸出電壓，這個電壓影響了占空比，因此也影響了主電感器的電感值和額定電流。為了避免電感飽和，最大平均值和電流峰值必須由VIN-MIN 和 VO-MAX同時求出。例如，歷數(shù)加工、驅動電流和模具溫度，一個標準的白InGaN LED的VF可以從3V變到4V。串聯(lián)的LED越多，VO-MIN 和 VO-MAX的間距就越大。

　　不同于帶有輸出電感的Bulk調節(jié)器，Boost轉換器有一個非持續(xù)輸出電流。因此，輸出電容需要輸出電壓要持續(xù)（輸出電流也如此）。這里，電壓調節(jié)器中的輸出電容被設計成兼有濾波器并且在負載瞬變時可以保持輸出電壓，在電流調節(jié)中，它只是起到了類似一個AC電流濾波器的作用。電容值要盡量低，并且要與所期望的LED波動電流保持一致。輸出電容越小（同時也可以盡量降低成本和大?。?，轉換器對輸出電流的回應就越快，這樣LED的調光反應就越好。

　　Boost轉換器的另外一個嚴峻挑戰(zhàn)是控制環(huán)。Buck調節(jié)器允許電壓模式的PWM控制、峰值電流模式的PWM控制、constant/controlled on-time以及其它的滯后控制。注意到處于CCM的Boost調節(jié)器（低功率、便攜設備除外）的右半平面零和在控制開關關閉的時候還在向輸出供電的特性，它們幾乎被限定在峰值電流模式PWM控制。要設計一個控制輸出電流的Boost LED 驅動，控制環(huán)必須要把LED看作是負載來分析，這與Boost電壓調節(jié)器的典型負載非常不同。在峰值電流模式控制中，負載阻抗對DC增益和控制到輸出轉換函數(shù)的低頻極點有很大影響。對電壓調節(jié)器來說，負載阻抗由輸出電壓與輸出電流的比值來決定。 LED是個擁有動態(tài)電阻的二極管。這個動態(tài)電阻只能通過做出VF (IF)曲線，然后用切線來找到希望的前向電流的斜率來決定。如圖1所示，電流調節(jié)器使用負載本身來作為反饋分頻器來閉環(huán)。這就使DC增益降低了(RSNS/ (RSNS + rD))倍。我們趨向于用一個簡單的積分器犧牲穩(wěn)定帶寬來補償Boost LED驅動。事實上是大多數(shù)或者說許多LED驅動應用需要調光。無論調光是通過IF 的線性調節(jié)(模擬調光)來完成，還是通過高頻打開或切斷輸出（數(shù)字或PWM調光）來實現(xiàn)，系統(tǒng)都需要像電壓調節(jié)器實現(xiàn)的高帶寬和快速瞬變回應。

　　Buck-boost挑戰(zhàn)

　　照明用LED的開發(fā)要比固態(tài)光源標準的發(fā)展快得多。大量不同種類的LED擁有很多不同的供電電壓。串聯(lián)的LED的數(shù)目、種類及其不同的加工和模具溫度都產(chǎn)生了不同的輸出電壓。例如，高端汽車正在過渡到利用LED來作為日間行駛燈。三個3瓦白色LED組成了一個12V1A的負載。汽車電壓系統(tǒng)通常需要持續(xù)工作于9到16V，并且可以延伸到6到42V，使系統(tǒng)可以無損運行，但是其性能可能要有折扣。通常來說，Buck調節(jié)器是最好的LED驅動器，其次是Boost, 但是在這個應用中，他們沒有優(yōu)劣之分。如果一定要用Buck-boost調節(jié)器，最難的決定就是采用哪種拓撲。

　　任何拓撲的Buck-boost調節(jié)器和Buck調節(jié)器或Boost調節(jié)器的最基本的區(qū)別是Buck-boost從來沒有把輸入供電直接連接到輸出。在一部分轉換環(huán)中，Buck和Boost調節(jié)器把VIN 連接到 VO（通過電感和開關/二極管），這個直連使它們更有效率。所有的Buck-boost都把所有要傳送給負載的能量儲存或者磁場（電感或變壓器）或者電場（電容）中，這樣就導致了電源轉換中的高峰值電流或者更高電壓。特別的一點是要考慮在輸入電壓和輸出電壓的拐角，因為峰值轉換電流發(fā)生在VIN-MIN 和 VO-MAX，但是峰值轉換電壓發(fā)生在VIN-MAX、 VIN-MAX 和 VO-MAX。一般來說，這意味著擁有一個這樣的輸出功率的Buck-boost調節(jié)器要比一個同樣輸出功率的Buck或Boost調節(jié)器更大且效率更低。

　　單電感Buck-boost可以像Buck或Boost調節(jié)器一樣組建，使它在系統(tǒng)成本的角度來講很吸引人。這種拓撲的一個缺點是Vo被反置（圖2a）或者以VIN為參照（圖2b）。測平移動或者反偏電路必須要用一些轉換器。像boost轉換器，它們有一個不連續(xù)輸出電流，并且需要一個輸出電容來維持一個持續(xù)LED電流。功率MOSFET要承受一個峰值為IIN加上IF的電流還有一個峰值為VIN 加上 VO的電壓。

圖2：高端buck-boost (a)； 低端buck-boost (b)

　　其它拓撲

　　SEPIC轉換器擁有連續(xù)輸入電流的優(yōu)點，這個連續(xù)輸入電流是由輸入電感和正輸出電壓產(chǎn)生的。像boost和單電感buck-boost，它們需要一個輸出電容來維持一個平滑LED電流。另外一個SEPIC轉換器的優(yōu)點是幾乎任何一個低端調節(jié)器或者控制器都可以被設置成為一個毋需反偏或測平移動電路的SEPIC。

圖3：SEPIC LED 驅動

　　很少被用作電壓調節(jié)的Cuk轉換器作為LED驅動而嶄露頭角。輸入和輸出電流都是連續(xù)的。輸出電壓的極性就像高端buck-boost一樣被反置，但是輸出電容像buck轉換器一樣被消除。除Buck-boost 和boost 以外，Cuk是擁有這種能力的唯一的實用型非隔離調節(jié)器。