LED照明技術(shù)知識(shí)之降壓結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

在文章的第一部分，我們研究了基本的LED光源和驅(qū)動(dòng)方式。介紹了一些簡單的驅(qū)動(dòng)方式，例如電壓源/限流電阻的方式和線性穩(wěn)壓電源方式，但LED光源的功率需求和復(fù)雜程度的不斷增加，使得這些簡單的驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)不在能滿足要求。這樣就需要一種更加高級(jí)開關(guān)模式的LED驅(qū)動(dòng)。那到底我們選擇用什么樣的開關(guān)方式呢？在第二部分，我們將探討為什么開關(guān)模式的LED驅(qū)動(dòng)用恒流降壓電路表現(xiàn)最好，或者換種說法，為什么要用降壓模式？

　　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)

　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)。