如何設(shè)計線性和開關(guān)式LED電源的結(jié)合方案

為控制亮度，發(fā)光二極管（LED）需要恒定電流。把一只電阻器與一組LED串聯(lián)即可實現(xiàn)此點。由于一組LED的電壓和供電電壓都可能發(fā)生改變，因而必須使用專用的LED驅(qū)動保證電流的精準。以下兩種方案使用廣泛：線性恒流LED驅(qū)動器和步進降壓開關(guān)式轉(zhuǎn)換器，它們均有各自的優(yōu)勢和劣勢。

　　線性驅(qū)動是簡單的方案，所需元件極少且基本無噪音。但是，其耗散的熱量和供電電壓與LED正向電壓之差成正比。為防止過熱，其封裝可能需要在PCB上額外劃分一個散熱區(qū)，這就增加了所需PCB的成本和數(shù)量，同時也增加了驅(qū)動IC因熱關(guān)斷，從而關(guān)閉LED的風險。

　　圖1 LM393比較器監(jiān)測LED串的低側(cè)電壓，并使能降壓穩(wěn)壓器（CAT4201）或線性穩(wěn)壓器（CAT4101）。

　　如果此驅(qū)動被置于LED旁，額外的熱量會使LED以更高的溫度運行，從而減少其壽命。降壓（或buck）轉(zhuǎn)換器效率高，產(chǎn)生的熱量很少，但是開關(guān)式方案需要一只電感和一個肖特基二極管。這個方案也會產(chǎn)生噪音，尤其是當供應(yīng)電壓快降至LED正向電壓時。在汽車應(yīng)用中，射頻干擾（RFI）是一個重要的考慮因素。建議在開頭式轉(zhuǎn)換器前面置放EMI/RFI濾波器，以阻止高頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的噪音返回電源，因為它有可能干擾到AM/FM波段收音機等設(shè)備。

　　在降壓變換器性能不良，用盡余量時，線性驅(qū)動器的運行則是最佳的。為避免劣勢，發(fā)揮兩種方案的優(yōu)勢，可以采取將線性與降壓相結(jié)合的方案，在保證效率的同時將轉(zhuǎn)換噪音降至最低。

　　理想情況下，電池電壓的波動幅度很大。如汽車應(yīng)用場景下（8v至17v），線性/降壓驅(qū)動器能提供所需的較低噪音運行環(huán)境和較高的效率。當應(yīng)用電壓升至限值以上時，LED驅(qū)動器則轉(zhuǎn)換為降壓模式，從而避免線性驅(qū)動器過熱。

　　本文中的電路可單獨選擇每個LED驅(qū)動器在開關(guān)模式和線性模式之間切換時的可調(diào)電壓閾值，并有額外遲滯以確保轉(zhuǎn)換順利進行。圖1顯示的原理圖采用了安森美半導(dǎo)體公司的CAT4201 350-mA降壓驅(qū)動器，以及CAT4101 1A恒流LED驅(qū)動器，圖中也顯示了邏輯比較器。較常見的降壓結(jié)構(gòu)有一個高側(cè)開關(guān)和一個低側(cè)二極管，CAT4201則不同，它互換了這些器件。

　　與典型的降壓開關(guān)器相同，當開關(guān)接通時，流經(jīng)感應(yīng)器L和LED的電流會增加，直至達到峰值，即：LED平均電流的兩倍。之后開關(guān)關(guān)閉。已充電的電感會迫使電流繼續(xù)流經(jīng)肖特基二極管D1及LED，直到其值變?yōu)榱?。而后該循環(huán)又開始重復(fù)。這一開關(guān)式運行被稱為臨界導(dǎo)通模式。

　　R1/R2電阻分壓器產(chǎn)生出相當于負極電壓幾分之一的V+.如果比較器（LM393）的輸入電壓高于固定的基準電壓值2.5V，則輸出為高；OUT為低，禁用線性驅(qū)動器而使能降壓轉(zhuǎn)換器。如果V+低于基準電壓，則比較器輸出為低，使能線性驅(qū)動器而禁用降壓轉(zhuǎn)換器。反饋電阻器R5增加了0.6V的遲滯，即一旦負極電壓超過3.6V，降壓轉(zhuǎn)換器就會起動；當負極電壓降至3V以下時，線性驅(qū)動器則會接手。注意，如果LM393的另一半沒有用于其它LED電源，更好的設(shè)計方法是將LM393上所有未用的輸入和輸出引線都接地。

　　圖2顯示了單用降壓轉(zhuǎn)換器，以及線性/降壓驅(qū)動器合用時的LED電流調(diào)節(jié)情況。與單用降壓轉(zhuǎn)換器相比，線性/降壓驅(qū)動器可將LED電流調(diào)節(jié)擴展至低于8V的電源電壓，即使電池電壓繼續(xù)下降，它也能使LED保持點亮。電源電壓低于11V時，僅用降壓轉(zhuǎn)換器會損失其精度，并產(chǎn)生回到電源的更多開關(guān)紋波電流。EMI濾波器更難以抑制較低頻率下的紋波電流。另一方面，在相同的供電電壓范圍內(nèi)，線性驅(qū)動器則提供了更高的調(diào)節(jié)和無噪音運行環(huán)境。

　　盡管增加了元件數(shù)，但對于要求低噪音性能與擴展電源區(qū)間的應(yīng)用，線性/降壓聯(lián)合方案還是有價值的?？梢栽O(shè)置線性到降壓的過渡電壓值，以獲得最佳散熱性能。