高效率 LED 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

控制回路設(shè)計(jì)
LED電源供應(yīng)的電流回路設(shè)計(jì)要比傳統(tǒng)電源供應(yīng)的電壓回路簡(jiǎn)單。電流回路的復(fù)雜性是由輸出濾波架構(gòu)決定的。圖9就是三種常見(jiàn)架構(gòu)，分別是單純的電感濾波器(A)、典型的電源供應(yīng)濾波器(B)和改良型濾波器設(shè)計(jì)(C)。

圖9 三種不同的輸出濾波架構(gòu)

為每個(gè)功率級(jí)電路建立簡(jiǎn)單的P-Spice模型，以說(shuō)明其控制特性的個(gè)別差異。其中降壓轉(zhuǎn)換功率FET與二極管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由一個(gè)10倍增益的壓控電壓源代表，LED由一個(gè)3Ω電阻串聯(lián)6V電壓源代表，LED與接地之間還有一個(gè)1Ω的電流感測(cè)電阻。模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 三種濾波器架構(gòu)的增益與相位圖

電路A是相當(dāng)穩(wěn)定的一階系統(tǒng)響應(yīng)，其中，直流增益是由壓控電壓源、LED阻抗所構(gòu)成的分壓器以及電流感測(cè)電阻所決定，系統(tǒng)極點(diǎn)則由輸出電感與電路阻抗決定。補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單，只要使用乙類放大器即可。

電路B由于包含輸出電容，所以會(huì)有二階響應(yīng)。增加輸出電容是因?yàn)槟承?yīng)用在電磁干擾或散熱因素的考慮下，不能容忍LED出現(xiàn)太大的紋波電流，因此需要輸出電容來(lái)消除紋波電流。這個(gè)電路的直流增益與前面的電路相同，但它會(huì)在輸出電感和電容所決定的頻率點(diǎn)上產(chǎn)生一對(duì)復(fù)數(shù)極點(diǎn)。由于濾波電路的總相位移為180°，因此補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)必須謹(jǐn)慎以免系統(tǒng)不穩(wěn)定。補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)與采用丙類放大器的傳統(tǒng)電壓模式電源供應(yīng)很類似，但比電路A多出兩顆零件和輸出電容。

電路C則會(huì)重新安排輸出電容的位置，使電路補(bǔ)償更容易。LED兩端的紋波電壓與電路B很類似，只不過(guò)電感紋波電流會(huì)通過(guò)電流感測(cè)電阻R105，這在計(jì)算功耗時(shí)必須考慮。此電路的補(bǔ)償設(shè)計(jì)幾乎和電路A同樣簡(jiǎn)單，直流增益也與前面兩種電路相同。電路共有1個(gè)零點(diǎn)和2個(gè)極點(diǎn)，零點(diǎn)由電容和LED串聯(lián)電阻產(chǎn)生。第一個(gè)極點(diǎn)由輸出電容和電流感測(cè)電阻決定，第二個(gè)極點(diǎn)由電流感測(cè)電阻和輸出電感決定。當(dāng)頻率很高時(shí)，此電路的響應(yīng)與電路A相同。

調(diào)光
許多應(yīng)用都需要LED調(diào)光功能，像是顯示器亮度控制和建筑照明調(diào)整。LED調(diào)光方式有兩種，一種是減少LED電流，另一種是讓LED快速導(dǎo)通和截止。由于輸出光強(qiáng)度不全與電流成正比，LED光譜在電流低于額定值時(shí)還常會(huì)移動(dòng)，所以減少LED電流不是很有效率的做法。另外，人類的亮度感受還與光強(qiáng)度成指數(shù)關(guān)系，需大幅改變電流才能達(dá)到調(diào)光效果，這對(duì)電路設(shè)計(jì)造成很大影響，例如，電路容差(circuit tolerance)就能讓3%的滿負(fù)載電流誤差在10%負(fù)載時(shí)增為30%以上。

電流波形脈沖寬度調(diào)變(PWM)雖然提供更精確的亮度調(diào)整，但響應(yīng)速度要特別注意，如照明和顯示器應(yīng)用就必須讓PWM速度超過(guò)100Hz，否則看起來(lái)會(huì)有閃爍的感覺(jué)。假設(shè)PWM頻率為100Hz，那么10%的脈沖寬度就已進(jìn)入毫秒范圍，是故電源供應(yīng)必須提供10kHz以上的帶寬。圖9中的A和C簡(jiǎn)單回路都能輕易達(dá)到此要求。圖11是包含PWM調(diào)光功能的降壓轉(zhuǎn)換功率級(jí)電路，會(huì)不停接通和切斷LED與電路的聯(lián)機(jī)。這種架構(gòu)讓控制回路永遠(yuǎn)處于工作狀態(tài)，故能提供非常快速的瞬時(shí)響應(yīng) (見(jiàn)圖12)。

圖11 利用Q1對(duì)LED電流進(jìn)行脈沖寬度調(diào)變

圖12 PWM技術(shù)提供1μs以內(nèi)的LED切換速度

結(jié)語(yǔ)
盡管LED應(yīng)用日益流行，仍有許多電源管理問(wèn)題需要解決。例如，LED在注重可靠性與安全性的汽車(chē)市場(chǎng)的應(yīng)用雖已大幅成長(zhǎng)，但汽車(chē)電路系統(tǒng)的電源環(huán)境其實(shí)相當(dāng)嚴(yán)苛，所以保護(hù)電路設(shè)計(jì)必須能夠承受60V以上的電壓突降。