典型白光LED驅(qū)動(dòng)案例

電感式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器的核心是電子開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對(duì)電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。在開(kāi)關(guān)管閉合的時(shí)候，將電源的能量?jī)?chǔ)存在電感中，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，電感中的能量流入電容，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸。

電感式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器有通常兩種控制方式：一是保持開(kāi)關(guān)工作周期不變，控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)，該方式是在輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，控制電路通過(guò)輸出電壓或電流與基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得電感式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓或電流保持穩(wěn)定;另一種是保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)工作周期的脈沖頻率調(diào)制方式(PFM)，基本工作原理就是在輸入電壓或負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，在保持開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間不變的情況下，控制開(kāi)關(guān)周期的長(zhǎng)短，即控制開(kāi)關(guān)頻率，來(lái)調(diào)整開(kāi)關(guān)占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓或電流的目的。由于PWM方式電路簡(jiǎn)單，且輸入/輸出范圍較PFM方式更廣泛(PFM通常用于輕負(fù)載、低電壓、低電流情況下)，所以得到了廣泛應(yīng)用，下面主要介紹兩種PWM驅(qū)動(dòng)方式。

1.3.1 電壓控制型PWM

結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

在PWM控制器中，對(duì)輸出電壓Vo進(jìn)行檢測(cè)，加至運(yùn)放的反相輸入端，固定參考電壓Vref加至運(yùn)放的正相輸入端。誤差放大后輸出直流誤差電壓Ve，加至PWM比較器的正相輸入端;將斜坡信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)Vosc加至PWM比較器的反相輸入端。Vc和Vosc經(jīng)PWM比較后輸出一個(gè)方波信號(hào)，該方波信號(hào)的占空比隨著誤差電壓Vc變化。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，Ve值變大，經(jīng)PWM比較后，輸出方波占空比減小，MOS管導(dǎo)通時(shí)間增加，Vin對(duì)電感充電時(shí)間增加，Vout升高。

1.3.2 電流控制型PWM原理

結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。該電路和電壓控制型的區(qū)別在于，該電路有外控制環(huán)和內(nèi)控制環(huán)兩部分電路。當(dāng)輸出電流Iout降低時(shí)，誤差放大器輸出增大，PWM輸出為0;當(dāng)振蕩波上升沿到來(lái)時(shí)，MOS管導(dǎo)通，Vin對(duì)電感充電，電流增加，通過(guò)采樣電阻R3反饋電壓增加，當(dāng)反饋電壓超過(guò)Ve時(shí)，PWM輸出為1，當(dāng)振蕩器下降沿到來(lái)時(shí)，MOS管關(guān)閉，電感上電流對(duì)外輸出。電流控制模式與電壓控制模式一樣具有占空比與輸出電壓大小成反比的關(guān)系外，還具有以下特點(diǎn)：外控制環(huán)路控制電流最小值;內(nèi)環(huán)控制電流最大值。

2 各種驅(qū)動(dòng)器優(yōu)缺點(diǎn)比較

對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)方式而言，每種LED驅(qū)動(dòng)都有它的適用范圍，也有它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，搞清楚各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以更好地根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的LED驅(qū)動(dòng)電路，這可以通過(guò)效率工作電壓、噪聲干擾、輸出調(diào)節(jié)、反應(yīng)速度以及安裝尺寸和成本來(lái)進(jìn)行比較分析。

工作電壓、噪聲干擾、輸出調(diào)節(jié)、反應(yīng)速度以及安裝尺寸和成本來(lái)進(jìn)行比較分析。

2.1 整體效率

線(xiàn)性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器的整體效率是比較低的，主要是由于線(xiàn)性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器是依靠功率管分去多余的電壓來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓效果，而這部分功耗是完全無(wú)用的，導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)器效率的下降。所以使用線(xiàn)性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器時(shí)，應(yīng)盡量減少輸入與輸出電壓差，其實(shí)際轉(zhuǎn)換效率通常在50%～95%之間;由于基本電荷泵其只能倍數(shù)提供輸出電壓，其輸出電壓不能穩(wěn)定在某個(gè)值上，所以通常在電荷泵電路外部連接額外的LDO，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓電荷泵，這樣導(dǎo)致了電荷泵式驅(qū)動(dòng)器效率在本身功率鞘耗的基礎(chǔ)上，額外增加的LDO驅(qū)動(dòng)器的功率消耗，效率通常在70%～85%;電感開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)器以及基本電荷泵驅(qū)動(dòng)器的損耗主要來(lái)自?xún)?nèi)部MOS器件靜態(tài)電流損耗、外部電容以及采樣電阻的功率損耗，其效率可達(dá)80%～90%。

2.2 工作電壓

線(xiàn)性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器由于分壓工作原理，只能進(jìn)行降壓輸出，這就決定了它只能工作的輸入電壓高于LED驅(qū)動(dòng)需求電壓的情況下工作;電荷泵驅(qū)動(dòng)器，可進(jìn)行降壓或者升壓，但如果需要進(jìn)行高倍數(shù)或多模式調(diào)節(jié)輸出電壓，則需連接大量的開(kāi)關(guān)和電容，使得效率大幅降低，所以一般應(yīng)用于過(guò)度電壓驅(qū)動(dòng)，即輸入電壓與輸出LED驅(qū)動(dòng)電壓差別不大的情況;電感式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器由于利用了磁場(chǎng)儲(chǔ)能，不論是升壓、降壓還是兩者同時(shí)進(jìn)行，只需調(diào)整采樣電阻的比例，就可以進(jìn)行大范圍的輸出電壓調(diào)整，且不會(huì)因輸出調(diào)整改變驅(qū)動(dòng)器效率，所以其應(yīng)用范圍最廣，可廣泛運(yùn)用于各種輸入電壓之下。

2.3 噪聲干擾(EMI)

線(xiàn)性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器由于其工作原理是采取分壓方式穩(wěn)定輸出電壓，本身工作不需要電容或電感進(jìn)行穩(wěn)壓操作，MOS管也始終工作在線(xiàn)性狀態(tài)下，不需要進(jìn)行關(guān)斷或開(kāi)啟操作，所以本身不會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓、電流和電磁干擾;電荷泵由于不采用電感，所以其EMI影響基本可以忽略，在輸出電壓過(guò)程中，MOS管需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，所以會(huì)產(chǎn)生一定的電源噪聲，但由于沒(méi)有使用電感，所以噪聲較小，可以通過(guò)外接一很小的電容消除;電感式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器是電源噪聲和EMI的主要來(lái)源，由于MOS管的頻繁開(kāi)關(guān)操作，PWM會(huì)在MOS管開(kāi)關(guān)的固定頻率內(nèi)產(chǎn)生大的EMI干擾，PFM更是在其頻率的可變范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾，所以供應(yīng)商通常需要采取提高電感式開(kāi)關(guān)工作頻率的方法，使其EMI落在系統(tǒng)頻帶之外，另外由于電感的原因，MOS管通斷瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的尖峰電流或電壓，輸出電流和電壓也存在相位差。

2.4 輸出調(diào)節(jié)及響應(yīng)速度

線(xiàn)性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器可以根據(jù)產(chǎn)品的需要，通過(guò)調(diào)整外部采樣電阻的比例，調(diào)整MOS管的分壓，對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，而且其電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度很快;電荷泵驅(qū)動(dòng)器本身不可隨意調(diào)整輸出電壓的數(shù)值，只能通過(guò)采樣電壓反饋進(jìn)行倍數(shù)調(diào)節(jié)，通過(guò)串接LDO也可進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，但這樣也會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度，響應(yīng)速度較LDO慢，電荷泵對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)在于它可通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，進(jìn)行正負(fù)兩種電壓的輸出，面其他兩種驅(qū)動(dòng)方式則需要另外的設(shè)計(jì)電路才能達(dá)到輸出負(fù)值電壓的效果;電感式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)也只需調(diào)節(jié)采樣電阻的比例，改變控制方波占空比，來(lái)調(diào)整輸出電壓，調(diào)整比較簡(jiǎn)便，但由于電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需進(jìn)行多次比較放大，電感的存在也進(jìn)一步減慢了電壓調(diào)整的反應(yīng)速度，所以響應(yīng)速度最慢。

2.5 安裝尺寸及成本

線(xiàn)性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)器電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，一般只需20～40個(gè)元器件就可組成，成本低，但由于MOS管也一直處于線(xiàn)性區(qū)或飽和區(qū)，發(fā)熱量較大，所以需加裝大的散熱裝置，以保證散熱良好，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。電荷泵電路復(fù)雜程度居中，外接的電容體積也可通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率而減小，而且現(xiàn)在貼片式電容也得到了很好的應(yīng)用，使得電荷泵集成度大大提高，所需安裝尺寸進(jìn)一步減小。電感式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路最為復(fù)雜，成本最高，而且最少需外接一個(gè)電感、電容和肖特基二極管，特別是在需要屏蔽應(yīng)用時(shí)，需另外加裝屏蔽裝置，成本更高，尺寸也更大。附對(duì)照表如表1所示。