利用降壓結構實現(xiàn)LED驅動

基于降壓的結構可以與很多環(huán)路控制結構很好的匹配，而且不用考慮穩(wěn)定性的限制，滯回控制適合在開關頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應用。這種特性剛好滿足LED對電源的要求。

隨著LED的廣泛應用，在很多地方線性電源這種簡單的結構已經(jīng)不能滿足需求。一般情況下，當用電阻的方式設定LED所需的正向電流的時候，這種簡單的驅動方式可以連續(xù)的由電源向負載提供能量。

由于LED的電流與電阻上的相同，所以電阻上產(chǎn)生的功耗會隨輸入電壓的增加而增加。例如，一個用線性電源驅動的LED，效率為70%，用5V線性電源提供1A電流給一個典型的白光InGaNLED(VF=3.5V)。在相同的工作條件下，當輸入電壓上升到12V時，它的效率將會降到30%。在如此低效率的情況下是無法應用的。

開關電源

開關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。由于開關電源會產(chǎn)生脈沖式的電壓和電流，所以這就需要用一些儲能器件(電感或電容)對這些脈沖波形進行整形。

和線性電源相反，開關電源可以通過不同的設置來實現(xiàn)電流或電壓的降、升或者同時升降的功能。開關電源同樣可以在寬的輸入或輸出范圍下實現(xiàn)高效率。在前面的例子中，用一個降壓型的開關電源取代線性電源后，當輸入電壓由5V變到12V后，電路的效率由95%變到98%。

開關電源在效率和結構的靈活性上得到了很大的提升，但由于周期性的開關造成了噪聲的增加，同時由于結構的復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為是一個恒流源。拓撲結構的選擇應該考慮最少的外部原件和最好的性能為標準，這樣可以提高電路的穩(wěn)定性和減少成本。

鑒于LED的動態(tài)調(diào)光特性好，在設計的時候要考慮使這種特性能夠方便應用。幸運的是，基本降壓開關電路在實現(xiàn)這些特性的時候表現(xiàn)的非常好，所以LED驅動一般選擇降壓型開關電源。

恒流輸出級

圖1a：基本降壓型電壓調(diào)整器。

開關調(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算得到(Eq.1)

電感L用來設置電感電流紋波的峰-峰值ΔIpp的大小，電容Co用來設置輸出電壓紋波和輸出電壓的負載瞬態(tài)響應。在這種降壓型逆變器中電感的平均電流等于負載電流，因此我們可以通過控制電感電流紋波的峰-峰值來控制負載電流。這樣可以使電壓源控制的方式轉換成電流源控制的方式。

圖1b：基本電流型降壓調(diào)整器。

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算得到(Eq.2)：

在我們設定好LED電流IF之后，我們必須準確的檢測電感上的電流。從理論上來說，檢測電感電流有很多方式，例如利用MOSFET的導通阻抗Rdson檢測或者用電感的直流電阻檢測。但是實際上這些檢測方式在精度上不能滿足LED電流設置的要求(高亮度LED的精度為5%-15%)。

如果直接用電阻RFB來檢測IF，這樣在精度上就可以滿足要求，但是在電阻上將會產(chǎn)生額外的功耗。降低反饋電壓VFB，在同樣的檢測電流IF(圖.2)的情況下可以降低檢測電阻的阻值，這樣就可以使功耗降到最低。最新的LED驅動大多數(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)整器獨特之處在于輸出可以不需要電容。因為有連續(xù)的輸出電流和不存在負載瞬態(tài)變化，這個調(diào)整器中輸出電容的作用只是局限于電流濾波器。當我們設置成沒有電容的恒流型降壓調(diào)整器時，此時輸出阻抗將大幅增加，而對于升壓型來說，由于輸出阻抗增加，為了滿足輸出電流恒定，輸出電壓也將會大幅增加。

結果調(diào)光的速度和調(diào)光的范圍都有了顯著的提高。在應用過程中，從背光和機器視覺角度來說調(diào)光的范圍是一種非常有價值的特性。

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，大電感會增加面積和LED驅動的成本。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)行權衡。

例如，用紋波電流驅動一個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，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電感實現(xiàn)需求的ΔIF(±5%)，輸出電容需要根據(jù)LED的動態(tài)電阻rD和檢測電阻RFB和在此開關頻率下電容的阻抗來計算，可以利用下面的表達式(Eq.3)

環(huán)路控制結構

基于降壓的結構可以與很多環(huán)路控制結構很好的匹配，而且不用考慮穩(wěn)定性的限制，例如右半平面零點問題。除了和其他調(diào)光方法兼容以外，這種降壓結構使得PWM調(diào)光變得容易?；谶@種結構的LED驅動可以使系統(tǒng)設計人員提供更多的選擇。滯回控制非常適合在開關頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應用，例如燈泡和交通燈。