高效LED驅動設計及其應用

圖6　高度集成的升壓LED驅動器逐步升高輸入電壓

　　許多時候輸入電壓范圍變化很大，可以高于或低于輸出電壓，此時降壓拓撲和升壓拓撲結構就不起作用了。并且，可能在升壓應用中需要短路保護。在這些情況下，就需要使用降壓/升壓拓撲結構(見圖7)。當電源開關閉合、電感器有電流通過時，該電路就相當于升壓電路;當電源開關斷開時，電感器開始放電，電流進入輸出電容和LED。不過，輸出電壓不是正的，而是負的。此外，請注意本拓撲中不存在升壓轉換電路中出現的短路問題，因為其通過使電源開關Q1開路，提供了短路保護功能。該電路的另一個特性是，雖然它是一個負的輸出，但并不需要對傳感電路的電平進行切換。在本設計中，控制芯片接地到負的輸出，并且可直接測量電流感測電阻R100上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個LED，但是通過串聯可以連接許多LED。電壓的上限是控制芯片的最大額定電壓;輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過該限值。

圖7　降壓/升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍

關閉控制環路

　　關閉LED電源上的電流環路比關閉傳統電源上的電壓環路簡單。環路的復雜性取決于輸出濾波器的配置。圖8顯示了三種可能的配置：只有一個簡單電感器的濾波器(A);一個典型的電源濾波器(B);以及一個修正后的濾波器(C)。

圖8　電位輸出濾波器設置

　　為每一個功率級都構建一個簡單的P-Spice模型，以闡明每一功率級控制特性的區別。降壓功率FET和二極管的切換建模為電壓控制的電壓源，增益為10dB，而LED則建模為與6V電壓源串聯的3W電阻。在LED和接地之間添加了一個1W的電阻，用于對電流進行感測。在電路A中，該響應來自穩定的一階系統。DC增益由電壓控制的電壓源確定，LED電阻和電流感測電阻構成了分壓器，系統的極性由輸出電感和電路電阻決定，補償電路則由類型2放大器構成。電路B由于增加了輸出電容，因此有二階響應。若LED的紋波電流過大并達到難以接受的程度，則可能要求該輸出電容工作，這是由于EMI或熱量等問題的出現造成的。DC增益與第一個電路一樣。不過，在輸出電感和電容確定的頻率處有一對復極點。
　　濾波器的總相移為180.若沒有很好地設計補償電流，可能會導致系統不穩定。補償電流的設計與傳統電壓模式電源類似，傳統電壓模式電源要求有一個類型3的放大器。與電路A相比，補償電路增加了兩個組件以及一個輸出電容。在電路3中對輸出電容進行重定位，以便更容易對電路進行補償。LED的紋波電壓與電路B類似，所不同的是，電感的紋波電流流過電流感測電阻R105。因此，在計算功耗時也要考慮到這一部分。該電路有一個零點，一對極點，并且其補償設計與電路A一樣簡單，DC增益也與前兩個電路相同。該電路的電容和LED串聯電阻引入了一個零點，并擁有兩個極點，一個由輸出電容和電流感測電阻確定;另一個則由電流感測電阻和輸出電感確定。在高頻率時，其響應與電路A一樣。
　　通常需要對LED進行調光。例如，需要調節顯示器或建筑照明的亮度。實現上述目標有兩種方法：降低LED的電流，或快速對LED進行開關操作。更有效率的方法是降低電流，因為光輸出并不完全與電流呈線性關系，并且，LED的色譜在電流小于額定值時會發生變化。人們對亮度的感知是指數型的，因此，調光可能需要對電流進行很大更改，這會對電路設計造成很大的影響。考慮到電路的容差，滿電流值工作時，3%的調節誤差可以造成10%負載時的30%或更高的誤差。通過電流波形的脈寬調制(PWM)進行調光更為準確，盡管這種方法存在響應速度問題。在照明和顯示器應用上，PWM頻率高于100Hz，以使肉眼感覺不到閃爍。10%的脈沖寬度在ms量級內，并要求電源的帶寬大于10kHz，此項工作可以通過圖8(A與C)中簡單的環路完成。圖9為帶PWM調光功能的降壓功率級電路。在本例中，LED輕松地閉合/斷開電路。通過這種方式，控制環路總是處于激活狀態，并實現了極快的瞬態響應。

圖9　Q1用于PWM LED電流

結語

　　雖然LED的應用日益流行，但還有許多電源管理問題亟待解決。在需要高度可靠性和安全性的車載市場上，LED器件得到了廣泛的應用。車載電氣系統對電源質量要求很高，因此，必須設計保護電路，以避免在電壓超過60V時出現“拋負載”現象。建筑LED的電源設計問題也很多，需要進行功率因數矯正，以及對電流和亮度的控制。另外，LED正被集成于投影和電視等產品中，此類產品要求快速的響應、良好的電流控制，以及完美的開關控制，這些都給設計人員提出了新的挑戰。