LED照明降壓結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

隨著led的廣泛應(yīng)用，在很多地方線性電源這種簡單的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足需求。一般情況下，當(dāng)用電阻的方式設(shè)定LED所需的正向電流的時(shí)候，這種簡單的驅(qū)動(dòng)方式可以連續(xù)的由電源向負(fù)載提供能量。由于LED的電流與電阻上的相同，所以電阻上產(chǎn)生的功耗會(huì)隨輸入電壓的增加而增加。例如，一個(gè)用線性電源驅(qū)動(dòng)的LED，效率為70%，用5V線性電源提供1A電流給一個(gè)典型的白光InGaN LED (VF = 3.5V)。在相同的工作條件下，當(dāng)輸入電壓上升到12V時(shí)，它的效率將會(huì)降到30%。在如此低效率的情況下是無法應(yīng)用的。

開關(guān)電源

開關(guān)電源改善了由于輸入變化使得效率變化比較大的問題。這種方式是通過控制占空比的方式來滿足輸出所需要的電壓或電流。由于開關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生脈沖式的電壓和電流，所以這就需要用一些儲(chǔ)能器件(電感或電容)對(duì)這些脈沖波形進(jìn)行整形。和線性電源相反，開關(guān)電源可以通過不同的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)電流或電壓的降、升或者同時(shí)升降的功能。開關(guān)電源同樣可以在寬的輸入或輸出范圍下實(shí)現(xiàn)高效率。在前面的例子中，用一個(gè)降壓型的開關(guān)電源取代線性電源后，當(dāng)輸入電壓由5V變到12V后，電路的效率由95%變到98%。

開關(guān)電源在效率和結(jié)構(gòu)的靈活性上得到了很大的提升，但由于周期性的開關(guān)造成了噪聲的增加，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜使得電路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED電路可以被簡單的認(rèn)為是一個(gè)恒流源。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)該考慮最少的外部原件和最好的性能為標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以提高電路的穩(wěn)定性和減少成本。鑒于LED的動(dòng)態(tài)調(diào)光特性好，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮使這種特性能夠方便應(yīng)用。幸運(yùn)的是，基本降壓開關(guān)電路在實(shí)現(xiàn)這些特性的時(shí)候表現(xiàn)的非常好，所以LED驅(qū)動(dòng)一般選擇降壓型開關(guān)電源。

恒流輸出級(jí)

開關(guān)調(diào)整器最常用的是電壓調(diào)整器。圖1a為一種基本恒壓型降壓調(diào)整器。降壓控制器可以在輸入電壓變化的情況下，通過控制占空比或頻率的變化使輸出電壓保持恒定。輸出所需的電壓由下面的公式計(jì)算得到(Eq. 1)

式1

圖1a：基本降壓型電壓調(diào)整器。

電感L用來設(shè)置電感電流紋波的峰-峰值ΔIpp的大小，電容Co用來設(shè)置輸出電壓紋波和輸出電壓的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。在這種降壓型逆變器中電感的平均電流等于負(fù)載電流，因此我們可以通過控制電感電流紋波的峰-峰值來控制負(fù)載電流。這樣可以使電壓源控制的方式轉(zhuǎn)換成電流源控制的方式。圖1b為一種基本電流型降壓調(diào)整器。與恒壓型相似，恒流型降壓調(diào)整器可以在輸入電壓變化的情況下，通過控制占空比或頻率的變化使輸出電流IF保持恒定。輸出所需的電流由下面的公式計(jì)算得到(Eq. 2)：

式2

圖1b：基本電流型降壓調(diào)整器。

在我們?cè)O(shè)定好LED電流IF之后，我們必須準(zhǔn)確的檢測(cè)電感上的電流。從理論上來說，檢測(cè)電感電流有很多方式，例如利用MOSFET的導(dǎo)通阻抗Rdson檢測(cè)或者用電感的直流電阻檢測(cè)。但是實(shí)際上這些檢測(cè)方式在精度上不能滿足LED電流設(shè)置的要求(高亮度LED的精度為5%-15%)。如果直接用電阻RFB來檢測(cè)IF，這樣在精度上就可以滿足要求，但是在電阻上將會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。降低反饋電壓VFB，在同樣的檢測(cè)電流IF (圖. 2)的情況下可以降低檢測(cè)電阻的阻值，這樣就可以使功耗降到最低。最新的LED驅(qū)動(dòng)大多數(shù)提供的參考電壓(反饋電壓)在50-200毫伏之間。

恒流降壓調(diào)整器獨(dú)特之處在于輸出可以不需要電容。因?yàn)橛羞B續(xù)的輸出電流和不存在負(fù)載瞬態(tài)變化，這個(gè)調(diào)整器中輸出電容的作用只是局限于電流濾波器。當(dāng)我們?cè)O(shè)置成沒有電容的恒流型降壓調(diào)整器時(shí)，此時(shí)輸出阻抗將大幅增加，而對(duì)于升壓型來說，由于輸出阻抗增加，為了滿足輸出電流恒定，輸出電壓也將會(huì)大幅增加。結(jié)果調(diào)光的速度和調(diào)光的范圍都有了顯著的提高。在應(yīng)用過程中，從背光和機(jī)器視覺角度來說調(diào)光的范圍是一種非常有價(jià)值的特性。

在另一方面，由于輸出電容不足，AC電流的紋波電路需要比較大的電感，以滿足LED紋波的要求(正向電流ΔIF = ±5 到20%)。在同樣的電流紋波時(shí)，大電感會(huì)增加面積和LED驅(qū)動(dòng)的成本。因此在恒流降壓電路中，輸出電容的使用要在成本、面積和調(diào)光的速度、范圍之間經(jīng)行權(quán)衡。

例如，用紋波電流驅(qū)動(dòng)一個(gè)1A的白光LED(VF ≈ 3.5V)，ΔIF需要滿足±5%范圍內(nèi)，輸入電壓12V，頻率為500kHz，在電感電流幅度為1.1A時(shí)，只能允許使用50mH的電感。然而如果電感的紋波電流允許增加±30%，那么電感將會(huì)小于10mH。如果10mH和50mH電感在使用相同的材料和相同的額定電流的情況下，在成本和體積方面，10mH大概只是50mH的一半。為了用10mH電感實(shí)現(xiàn)需求的ΔIF (±5 %)，輸出電容需要根據(jù)LED的動(dòng)態(tài)電阻rD和檢測(cè)電阻RFB和在此開關(guān)頻率下電容的阻抗來計(jì)算，可以利用下面的表達(dá)式(Eq. 3)

式3

式4：

式4

環(huán)路控制結(jié)構(gòu)

基于降壓的結(jié)構(gòu)可以與很多環(huán)路控制結(jié)構(gòu)很好的匹配，而且不用考慮穩(wěn)定性的限制，例如右半平面零點(diǎn)問題。除了和其他調(diào)光方法兼容以外，這種降壓結(jié)構(gòu)使得PWM調(diào)光變得容易?；谶@種結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇。滯回控制非常適合在開關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應(yīng)用，例如白紙燈泡和交通燈。由于滯回控制不用考慮穩(wěn)定性限制，所以不需要考慮環(huán)路補(bǔ)償。不像環(huán)路控制那樣受帶寬限制。利用滯回控制驅(qū)動(dòng)降壓LED驅(qū)動(dòng)(圖.2a)使設(shè)計(jì)變得簡單，也減少了器件數(shù)量和成本。這種結(jié)構(gòu)也使PWM調(diào)光的范圍比其他結(jié)構(gòu)好。利用滯回控制的LED驅(qū)動(dòng)非常適合在要求調(diào)光范圍非常大和調(diào)光頻率比較高以及開關(guān)頻率變化非常大的情況下應(yīng)用。

圖2a：基本的滯回控制降壓驅(qū)動(dòng)。

類似的滯回降壓LED驅(qū)動(dòng)可以在固定頻率操作和不需要開關(guān)頻率變化的滯回控制之間提供了一個(gè)比較好的折中方案。控制開啟時(shí)間的降壓LED驅(qū)動(dòng)(圖2b)使用了一個(gè)滯回比較器和開啟時(shí)間控制器。讓開啟時(shí)間與輸入電壓成反比，這樣可以讓開關(guān)頻率的變化減少的最小。運(yùn)用這種結(jié)構(gòu)同樣可以避免環(huán)路控制的帶寬限制。運(yùn)用不同的調(diào)光結(jié)構(gòu)可以讓調(diào)光范圍變得非常寬。

圖2b：開啟時(shí)間控制的降壓LED驅(qū)動(dòng)。

在一些情況下，例如許多自動(dòng)控制應(yīng)用中，LED驅(qū)動(dòng)與外部時(shí)鐘或與驅(qū)動(dòng)之間進(jìn)行同步時(shí)要求減少噪音的干擾。在沒有時(shí)鐘的滯回控制和準(zhǔn)滯回控制的結(jié)構(gòu)在執(zhí)行同步頻率時(shí)會(huì)帶來困難。相比來說，這個(gè)問題對(duì)于由時(shí)鐘控制的調(diào)整器來說就比較容易實(shí)現(xiàn)，例如圖2c中固定頻率的降壓LED驅(qū)動(dòng)。固定頻率控制可以解決這個(gè)復(fù)雜的問題，但是由于它動(dòng)態(tài)響應(yīng)的限制也影響了調(diào)光的范圍。

圖2c：基本的固定頻率的降壓LED驅(qū)動(dòng)。

總之，降壓LED驅(qū)動(dòng)的很多特點(diǎn)使其變得很有吸引力。它可以很容易設(shè)置成電流源，也可以實(shí)現(xiàn)最少的外圍元器件，器件少可以使得設(shè)計(jì)變得簡單，提高驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性，也可以減少成本。降壓結(jié)構(gòu)的LED適合很多種控制方式使其應(yīng)用的靈活性比較高。它輸出可以省略輸出電容，也可以與其他不同的調(diào)光方式進(jìn)行很好的匹配，這些特點(diǎn)可以允許它在高速調(diào)光和寬范圍調(diào)光的情況下應(yīng)用。當(dāng)應(yīng)用允許的情況下，所有的這些特點(diǎn)使得降壓LED驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有了很多的選擇。

什么樣的應(yīng)用條件不允許使用這種結(jié)構(gòu)呢？例如家用或商用的照明需要上千流明，設(shè)計(jì)一種方法來驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED串。LED串上的總的正向壓降等于其中每個(gè)LED正向壓降之和。在一些情況下，系統(tǒng)的輸入電壓范圍可能比一串LED的正向壓降低，或者有的時(shí)候高有的時(shí)候低。這些情況下有可能會(huì)需要升壓結(jié)構(gòu)，也有可能會(huì)需要降-升壓開關(guān)調(diào)整器。在下一部分，我們將會(huì)討論升壓和降-升壓結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)。