高效率LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

LED擁有高可靠性、良好效率和超快響應(yīng)速度，所以很適合作為照明光源。雖然白熾燈泡的成本很低，更換費(fèi)用卻可能很昂貴。街燈就是很好的例子，更換一個(gè)故障燈泡往往需要出動(dòng)多位人員和一輛卡車。也因?yàn)槿绱?，盡管LED和白熾燈泡的效率大致相等，許多街燈卻采用可靠性更高且更省電的LED。

白熾燈雖能發(fā)出連續(xù)光譜，卻常用于交通號(hào)志等只需綠光、紅光和黃光的場合。這類應(yīng)用須在白熾燈外加裝一個(gè)特定顏色的濾片，但它會(huì)造成六成的光能浪費(fèi)。LED則能產(chǎn)生特定顏色的光，而且只要接通電源即可立即發(fā)亮，不像白熾燈需要200ms的反應(yīng)時(shí)間，因此汽車產(chǎn)業(yè)早就將LED用于車燈。另外，DLP視訊應(yīng)用也以LED作為光源，利用高速開關(guān)的LED取代原有機(jī)械組件。

LED的I-V特性
圖1是典型InGaAlP LED的正向電壓特性。LED電路模型可表示為一個(gè)電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻，這個(gè)簡單模型與實(shí)際測量結(jié)果很吻合。電壓源為負(fù)溫度系數(shù)，因此正向電壓會(huì)隨著接面溫度升高而下降。InGaAlP LED(黃色與琥珀紅)的溫度系數(shù)在-3.0～-5.2mV/K之間，InGaN LED(藍(lán)、綠和白色)則介于-3.6～-5.2mV/K之間。負(fù)溫度系數(shù)是造成LED很難并聯(lián)的原因之一，因?yàn)樵綗岬慕M件會(huì)汲取越多的電流，越多的電流又會(huì)讓它的溫度進(jìn)一步升高，最后就變成熱失控。

圖1 以電壓源和串聯(lián)電阻作為LED電路模型后得到的I-V特性曲線

圖2是輸出光強(qiáng)度(光通量)與操作電流的關(guān)系，可以看出輸出光強(qiáng)度與二極管電流的關(guān)系很密切，只要改變正向電流就能調(diào)整LED的亮度。另外，這條曲線在電流較小時(shí)很像是一條直線，但其斜率在電流升高時(shí)會(huì)變得較小。這表示當(dāng)電流較小時(shí)，只要二極管電流加倍就會(huì)讓輸出光強(qiáng)度加倍。電流較大時(shí)則非如此，此時(shí)電流加倍只會(huì)讓輸出光強(qiáng)度提高八成。這項(xiàng)特性對LED很重要，因?yàn)樗怯山粨Q式電源所驅(qū)動(dòng)，所以可能會(huì)遇到很大的紋波電流。其實(shí)電源供應(yīng)的成本在某種程度上就是由所允許的電流決定：紋波電流越大，電源供應(yīng)的成本就越低，只不過LED的輸出光強(qiáng)度也會(huì)受到影響。

圖2  LED效率在電流超過1A后開始下降

圖3是把三角紋波電流加到直流輸出電流后，輸出光強(qiáng)度減少的情形。由于紋波電流的頻率在多數(shù)情形下都遠(yuǎn)超過人眼所能分辨的80Hz，再加上人眼對光強(qiáng)度的反應(yīng)又呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，只要光強(qiáng)度減少不超過20%就不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，因此就算LED電流的紋波很大，光強(qiáng)度也不會(huì)明顯減弱。

圖3 紋波電流造成LED輸出光強(qiáng)度略為下降

紋波電流還會(huì)增加LED耗電量，造成接面溫度上升，并對LED的使用壽命產(chǎn)生很大影響。圖4顯示LED輸出光強(qiáng)度與時(shí)間及接面溫度的關(guān)系。我們設(shè)定80%的輸出光強(qiáng)度為LED的使用壽命，則從圖4中可看出，當(dāng)溫度從74℃降至63℃時(shí)，LED使用壽命會(huì)從10 000小時(shí)增加為25 000小時(shí)。

圖4 接面溫度升高會(huì)縮短LED的使用壽命

圖5是紋波電流造成LED功耗增加的情形。由于紋波頻率比LED的熱時(shí)間常數(shù)高，因此就算紋波電流很大 (以及峰值功耗很大)也不會(huì)影響峰值接面溫度——這個(gè)溫度主要是由平均功耗決定。LED的大部份電壓降就像是一個(gè)電壓源，所以電流波形不會(huì)對功耗造成影響。然而電壓降中仍會(huì)有某些電阻分量，這部份的功耗等于電阻值乘以均方根電流的平方。

圖5 紋波電流導(dǎo)致LED耗電增加

從圖5還能發(fā)現(xiàn)就算紋波電流很高，也不會(huì)對LED功耗造成太大影響。舉例來說，當(dāng)紋波電流達(dá)到輸出電流的一半時(shí)，耗電量只會(huì)增加不到5%。但若紋波電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個(gè)水平，設(shè)計(jì)人員就必須減少電源提供的直流電流，避免接面溫度升高而影響組件壽命。一個(gè)簡單的經(jīng)驗(yàn)法則是：接面溫度每降低10℃，半導(dǎo)體組件壽命就會(huì)延長一倍。另外，多數(shù)設(shè)計(jì)由于受到電感的限制，都會(huì)盡量降低紋波電流，因?yàn)榇蟛糠蛛姼兄荒軕?yīng)付20%以下的Ipk/Iout紋波電流比。

典型應(yīng)用
LED電流常由安定電阻或線性穩(wěn)壓器控制，但本文主要討論交換式穩(wěn)壓器。LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu)基本上可分為降壓、升壓和升降壓等三種類型，實(shí)際架構(gòu)則應(yīng)由輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系決定。

如果輸出電壓永遠(yuǎn)低于輸入電壓，則可采用圖6所示的降壓穩(wěn)壓器。在此電路里，輸出濾波電感L1的平均電壓是由功率開關(guān)的負(fù)載周期所控制。TPS5430內(nèi)含的FET開關(guān)導(dǎo)通時(shí)會(huì)將輸入電壓連接到電感L1并產(chǎn)生電流，逆向電壓保護(hù)二極管D2則會(huì)在開關(guān)截止時(shí)提供另一條電流路徑。L1電感可以穩(wěn)定LED電流，因?yàn)殡娐窌?huì)透過電阻監(jiān)控LED電流，然后比較電阻電壓與控制組件內(nèi)部的參考電壓以判斷電流大小：如果電流太小，就增加功率開關(guān)的負(fù)載周期來提高L1電感的平均電壓，以便讓LED電流升高。這個(gè)電路的工作效率很高，因?yàn)楣β书_關(guān)、逆向電壓保護(hù)二極管和電流感測電阻的電壓降都很小。

圖6 降壓式LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓

如果輸出電壓永遠(yuǎn)大于輸入電壓，圖7所示的升壓轉(zhuǎn)換架構(gòu)就是最佳選擇。這個(gè)設(shè)計(jì)除了控制電路外，同樣會(huì)使用內(nèi)含功率開關(guān)的組件U1。功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)通過電感到地。開關(guān)截止時(shí)，U1接腳1的電壓會(huì)上升直到D1導(dǎo)通，電感也會(huì)經(jīng)由輸出電容C3和多個(gè)串聯(lián)的LED開始放電。多數(shù)應(yīng)用會(huì)利用C3穩(wěn)定LED電流，若沒有該電容，LED電流會(huì)變成在零與電感電流之間交替切換的不連續(xù)電流，不僅會(huì)降低LED的亮度，還會(huì)產(chǎn)生更多熱量而縮短LED壽命。此電路也和前面一樣利用電阻感測LED電流，再根據(jù)結(jié)果調(diào)整負(fù)載周期。注意，此架構(gòu)很大的缺點(diǎn)是沒有提供短路保護(hù)，輸出端短路會(huì)造成龐大電流通過電感與二極管，將導(dǎo)致電路故障或輸入電壓大幅下降。

圖7 整合式升壓LED驅(qū)動(dòng)器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高電壓

如果輸入電壓的變動(dòng)范圍很大，有時(shí)高于輸出電壓，有時(shí)又低于輸出電壓，那么單純的降壓或升壓架構(gòu)就不適用。除此之外，升壓應(yīng)用還可能需要短路保護(hù)功能。在此狀況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用圖8所示的升降壓架構(gòu)。這個(gè)電路與升壓轉(zhuǎn)換架構(gòu)很類似，會(huì)在功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)建立電感電流，等到功率開關(guān)停止導(dǎo)通，電感電流就會(huì)通過輸出電容和LED。這種設(shè)計(jì)與升壓轉(zhuǎn)換架構(gòu)的區(qū)別在于輸出電壓不是正值，而是負(fù)電壓。此架構(gòu)還能在輸出短路時(shí)將開關(guān)Q1切斷，所以可以避免升壓架構(gòu)發(fā)生的短路問題。此電路的另一特點(diǎn)是盡管輸出為負(fù)電壓，感測電路卻不需執(zhí)行電壓位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換——因?yàn)榭刂平M件的地線連接到負(fù)輸出端，并直接測量感測電阻R100兩端的電壓。圖8中雖然只有1個(gè)LED，實(shí)際應(yīng)用卻可串聯(lián)多顆。另外要注意的是，輸入電壓與輸出電壓的總和不能超過控制組件的最大電壓額定值。

圖8 升降壓架構(gòu)支持很大的輸入電壓范圍

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)電路建立簡單的P-Spice模型，以說明其控制特性的個(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，只不過電感紋波電流會(huì)通過電流感測電阻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電阻決定，第二個(gè)極點(diǎn)由電流感測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100Hz，否則看起來會(huì)有閃爍的感覺。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?？焖俚乃矔r(shí)響應(yīng) (見圖12)。

圖11 利用Q1對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

盡管LED應(yīng)用日益流行，仍有許多電源管理問題需要解決。例如，LED在注重可靠性與安全性的汽車市場的應(yīng)用雖已大幅成長，但汽車電路系統(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。