LED驅動器拓撲結構的選擇

發(fā)光二極管 (HB- led) 在每封裝流明輸出和光效 (efficacy ,單位為流明 / 瓦或 lm/W) 方面的性能快速提升。商用的 1 W LED 已提供有冷色溫 LED( 色溫 5000K) 的每封裝流明輸出超過 100 流明,光效達 100 lm/W ,而相同功率等級的暖色溫白光 LED( 色溫 3000 至 3500K) 也超過了 70 到 80 流明。與兩年前相比,這些性能等級提高了 30-40% 。有了這樣的性能, LED 如今正逐步發(fā)展成為眾多高性能應用中傳統(tǒng)白熾燈、鹵素燈和熒光燈的切實可行的替代光源。因此,固態(tài) 照明 (SSL) 相當多地滲入到了汽車、商業(yè)和景觀照明,以及城市街道照明之中。 LED 還能用于新應用,如基于實際太陽能板的遠程照明,因為這很 容易藉可充電 電池產(chǎn)生 LED 所要求的直流驅動電流。此外,恰當設計的話, LED 燈具的工作壽命可達 3 萬至 5 萬小時,因而顯著降低替代燈泡方面常見的維護成本。

　　然而,就控制及驅動這些 LED 而言,在使用的方面存在不少矛盾之處。例如,許多照明系統(tǒng)設計所使用或修改的已有電源方案并沒有充分顧及 HB-LED 的獨特驅動要求。如果設計人員要優(yōu)化 LED 照明所能提供的優(yōu)勢,必須仔細考慮驅動及控制這些器件所使用的技術,從而提供高能效及高性價比的方案。

　　HB-LED 照明系統(tǒng)的主要組件包括 LED 發(fā)射器、電源轉換、控制及驅動、熱管理,以及眾多應用中會涉及到的光學組件。如果不充分考慮所有這些組件,相應的 LED 照明系統(tǒng)就不太可能得到優(yōu)化。 LED 與大多數(shù)燈泡不一樣,是帶有指向性的光源,故在諸多應用中,使用鏡頭、反射鏡或擴散板來提供所需的發(fā)光圖案以及燈具的照明外觀至關重要。同樣,如果不恰當處理熱管理問題,照明系統(tǒng)的工作壽命也會大幅縮短,從而沖抵使用長壽命 LED 的主要優(yōu)勢。電源和驅動方面對照明系統(tǒng)的長期工作同等重要。 HB-LED 照明設計中的供電電壓源取決于所投入應用的類型。就建筑物及室內照明而言,電壓源通常是交流主電源。戶外照明可能采用寬泛穩(wěn)壓的電源,如低壓交流電源、帶備用電池的太陽能板或交流主電源。在汽車應用中,電源通常是鉛酸電池 (12 Vdc ) 。

　　如果沒有某種形式的電源轉換,應當避免使用電壓源來驅動 LED 發(fā)射器,這是由于正常的電壓波動會造成 LED 電流大幅變化,因為 LED 的電壓 / 電流 (V/I) 曲線非常陡峭;在不同驅動電流、溫度和生產(chǎn) ( 不同批次 ) 差異條件下, LED 正向電壓變化范圍較寬。此外,出于安全因素,大多數(shù)交流主電源應用都有基于電子開關電源或磁變壓器的隔離電源轉換,將高線路電壓轉換為適合驅動 LED 的安全低電壓。

　　LED 驅動電路的其中一項主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流,而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅動電路必須符合能效、電容容限、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應用要求。與此同時,所選的方法必須易用及足夠強固,從而適應特定應用的極端環(huán)境。有幾種不同的穩(wěn)流方法。

　　采用固定電壓電源供電的電阻是最簡單、最低成本的穩(wěn)流方法。實際上,它們并不穩(wěn)流,只是在 LED 正向電壓變化及源電壓變化并導致電流變化從而引起亮度變異時,簡單地限制最大電流。對于低電流指示器應用而言,這可能可以接受,但隨著電流增大及串聯(lián)的 LED 數(shù)量增加,就變得有問題了。要克服這個問題,需要費錢又費時地對 LED 進行編碼及選擇恰當?shù)碾娮鑱砥ヅ?LED 串正向電壓。即使采取這些步驟,仍然會有由輸入電壓變化導致的亮度變化問題。

　　另一種穩(wěn)流方法選擇是恒流線性穩(wěn)壓器 (CCR) 。它們易于設計,能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性,如高溫時電流反走及調光控制。 CCR 可以涵蓋簡單的雙端穩(wěn)壓器到靈活的可調節(jié)電流設定點線性穩(wěn)壓器集成電路。 CCR 的主要局限是輸入電壓源必須永遠高于輸出正向電壓以恰當工作,而且它們可能能效較低,熱耗散較高。后一點 ( 即熱耗散 ) 是 LED 驅動電流、輸入電源變化及正向電壓變化的直接函數(shù)。

　　因此,在設計及選擇過程中,封裝及總體散熱能力是關鍵考慮因素。通常線性驅動器能并行配置以擴散熱耗散,或者必須裝配在有散熱能力的封裝內。安森美半導體的 NSI45030 是一款 CCR 示例,這器件穩(wěn)流電平為 30 mA ,是將 CAT4201 采用緊湊型雙端 SOD123 封裝而成的器件; CAT4201 能支持高達 1 A 電流,具有調光控制接口,采用 D2PAK 封裝,能夠耗散大量功率。

　　圖 1 ：并行配置 30mA NSI45030 恒流穩(wěn)壓器以提高電流能力示例

　　出于能效因素及靈活性,開關穩(wěn)壓器被廣泛使用。這種方法成本較高,技術也較復雜,但能提供顯著優(yōu)勢,如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關系,且根據(jù)輸入 / 輸出條件,能效能夠高于 90% 。與線性穩(wěn)壓器不同,它們對電磁干擾 (EMI) 很敏感,給設計人員帶來另一項需要注意的設計約束。對于中到大功率應用或涉及寬輸入電壓范圍的應用而言,開關穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇;且許多應用中優(yōu)化了開關穩(wěn)壓器型 LED 驅動器,從而應用 LED 調光控制。

　　由于 LED 發(fā)射的光與通過 LED 的平均電流成正比, CCR 同樣也提供調節(jié)光輸出的能力。通過模擬或數(shù)字脈寬調制 (PWM) 技術提供調光。模擬方法注入模擬信號至反饋電壓,從而使平均輸出電流減小。數(shù)字方法使用輸入 PWM 信號來抑制穩(wěn)壓器的開關,并降低平均輸出電流。典型調光頻率介于 200 Hz 與 1,000 Hz 之間,因為人眼不能察覺頻率高于 100 Hz 時的細微變化。

　　三種基本的驅動器 / 穩(wěn)壓器拓撲結構分別是降壓、升壓、降壓 - 升壓 ( 又稱為單端初級電感轉換,簡稱 SEPIC) 。在降壓電路中,最低輸入電壓 (Vin) 在所有工作條件下永遠高于 LED 串的最大電壓,而在最大輸入電壓始終低于 LED 串最小電壓時使用升壓電路。由于恒流驅動器的升壓拓撲結構屬性,它要求額外的電路,用于 LED 開路及輸出短路保護。圖 1 顯示了典型的 LED 降壓配置。注意跟傳統(tǒng)降壓架構不同,這配置中開關接地參考, LED 串是浮接 (floating) 的。這拓撲結構基于專利的臨界導電模式 ( CrM ) 降壓架構,即使沒有直接感測到流過 LED 串的電流,也會對 LED 平均電流進行穩(wěn)流。

　　圖 2 ： CAT4201 高集成度 350 mA LED 降壓驅動器,可以驅動多達 7 顆 LED