高效LED驅(qū)動設(shè)計及其應(yīng)用
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當(dāng)輸出電壓總是比輸入電壓大時，最好采用升壓轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。該電路的U1有一個帶有控制電子器件的高度集成的電源開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時，電流流過電感器到接地。當(dāng)開關(guān)斷開時，U1的引腳1電壓會升高，直到D1導(dǎo)通。然后電感器放電，電流進入輸出電容器(C3)和LED串。在絕大多數(shù)應(yīng)用中，C3通常用于平滑LED電流。如果沒有C3，則LED電流將是斷斷續(xù)續(xù)的。也就是說，它會在零和電感電流之間切換，這會導(dǎo)致LED熱量增加(從而縮短使用壽命)，亮度減少。在前面的例子中，LED的電流是通過一個電阻感測的，并且占空比會發(fā)生相應(yīng)的變化。請注意，本拓?fù)浯嬖谝粋€嚴(yán)重的問題，即它沒有短路保護電路。若輸出短路，則會有較大的電流通過電感器和二極管，從而導(dǎo)致電路失效，或者輸入電壓崩潰。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/168357.htm
圖6 高度集成的升壓LED驅(qū)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?fù)浜蜕龎和負(fù)浣Y(jié)構(gòu)就不起作用了。并且，可能在升壓應(yīng)用中需要短路保護。在這些情況下，就需要使用降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖7)。當(dāng)電源開關(guān)閉合、電感器有電流通過時，該電路就相當(dāng)于升壓電路;當(dāng)電源開關(guān)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(fù)的。此外，請注意本拓?fù)渲胁淮嬖谏龎恨D(zhuǎn)換電路中出現(xiàn)的短路問題，因為其通過使電源開關(guān)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(fù)的輸出，但并不需要對傳感電路的電平進行切換。在本設(shè)計中，控制芯片接地到負(fù)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(lián)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(guān)閉控制環(huán)路
關(guān)閉LED電源上的電流環(huán)路比關(guān)閉傳統(tǒng)電源上的電壓環(huán)路簡單。環(huán)路的復(fù)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(shè)置
為每一個功率級都構(gòu)建一個簡單的P-Spice模型，以闡明每一功率級控制特性的區(qū)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(lián)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(yīng)來自穩(wěn)定的一階系統(tǒng)。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(gòu)成了分壓器，系統(tǒng)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(gòu)成。電路B由于增加了輸出電容，因此有二階響應(yīng)。若LED的紋波電流過大并達(dá)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(xiàn)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(fù)極點。
濾波器的總相移為180.若沒有很好地設(shè)計補償電流，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。補償電流的設(shè)計與傳統(tǒng)電壓模式電源類似，傳統(tǒng)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(shè)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(lián)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(yīng)與電路A一樣。
通常需要對LED進行調(diào)光。例如，需要調(diào)節(jié)顯示器或建筑照明的亮度。實現(xiàn)上述目標(biāo)有兩種方法：降低LED的電流，或快速對LED進行開關(guān)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(guān)系，并且，LED的色譜在電流小于額定值時會發(fā)生變化。人們對亮度的感知是指數(shù)型的，因此，調(diào)光可能需要對電流進行很大更改，這會對電路設(shè)計造成很大的影響?？紤]到電路的容差，滿電流值工作時，3%的調(diào)節(jié)誤差可以造成10%負(fù)載時的30%或更高的誤差。通過電流波形的脈寬調(diào)制(PWM)進行調(diào)光更為準(zhǔn)確，盡管這種方法存在響應(yīng)速度問題。在照明和顯示器應(yīng)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(nèi)，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(huán)路完成。圖9為帶PWM調(diào)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(huán)路總是處于激活狀態(tài)，并實現(xiàn)了極快的瞬態(tài)響應(yīng)。
圖9 Q1用于PWM LED電流
結(jié)語
雖然LED的應(yīng)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(yīng)用。車載電氣系統(tǒng)對電源質(zhì)量要求很高，因此，必須設(shè)計保護電路，以避免在電壓超過60V時出現(xiàn)“拋負(fù)載”現(xiàn)象。建筑LED的電源設(shè)計問題也很多，需要進行功率因數(shù)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(chǎn)品中，此類產(chǎn)品要求快速的響應(yīng)、良好的電流控制，以及完美的開關(guān)控制，這些都給設(shè)計人員提出了新的挑戰(zhàn)。
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