基于高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

在各種不同類(lèi)型的光源中，高亮度LED(發(fā)光二極管)目前增長(zhǎng)勢(shì)頭良好，正開(kāi)始替代白熾燈、鹵素?zé)?、熒光燈、HID氙氣燈等其它種類(lèi)的光源。過(guò)去，由于受到光線輸出的限制，LED只適用于儀器發(fā)光。近年來(lái)，高亮度LED(HBLED)開(kāi)始用于建筑照明、裝飾照明，以及標(biāo)識(shí)牌照明等。HBLED亦成為CCFL(冷陰極熒光燈)光源的有力替代品，用作液晶電視和顯示器的背光照明。隨著HBLED技術(shù)的不斷發(fā)展，HBLED發(fā)光效率可以達(dá)到35至50lm/W(流明/瓦)，已經(jīng)超過(guò)了白熾燈和鹵素?zé)?，并可以與熒光燈相媲美。如果HBLED技術(shù)進(jìn)一步改善，發(fā)光效率將高達(dá)100lm/W，從而超過(guò)熒光燈，并最終與HID燈一決高下。

應(yīng)當(dāng)指出，HBLED可以非常容易地實(shí)現(xiàn)全范圍內(nèi)的調(diào)光，而熒光燈的調(diào)光不僅困難，成本也高，且當(dāng)光輸出低于50%時(shí)不能調(diào)光。

HBLED的顏色、尺寸和額定功率各不相同。不同型號(hào)之間的電氣特性(尤其是正向壓降)差異較大;不同批次產(chǎn)品之間也有著很大不同，因而公差范圍很寬。此外，正向壓降的負(fù)溫度系數(shù)也增加了為具體應(yīng)用確定一款合適電源的難度。當(dāng)前市場(chǎng)上出售的HBLED驅(qū)動(dòng)電源大部分只是提供恒定電壓。這種方法雖然直觀上來(lái)講易于被非技術(shù)用戶所理解，但實(shí)際上增加了系統(tǒng)的局限性，同時(shí)降低了效率。

HBLED根據(jù)電流而不是電壓確定等級(jí)。例如，一個(gè)HBLED系列會(huì)包含多個(gè)型號(hào)，具有不同的顏色和正向壓降，但額定電流卻完全一致，如350mA或700mA。除了單只銷(xiāo)售以外，HBLED還廣泛以包含多支相連發(fā)光管的面板形式出售。

串聯(lián)HBLED電路中每只LED電流相同，不過(guò)正向壓降不同(其值位于4V區(qū)間內(nèi))，因此一串HBLED的累積電壓會(huì)迅速增加。為防止面板的供電電壓超過(guò)預(yù)期值，一般面板同時(shí)采用串聯(lián)與并聯(lián)LED網(wǎng)絡(luò)。例如，LumiledsFlood面板上有12支LED接成6個(gè)并聯(lián)LED對(duì)，如圖1所示。

在上述情況中，制造商將HBLED接為并聯(lián)對(duì)。由于它們的正向壓降表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)，為防止其中一只LED比另一只導(dǎo)入更多電流，必須在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行精確匹配。不幸的是，即使少量失配也會(huì)在工作中產(chǎn)生巨大影響，因?yàn)槿绻恢籐ED與另外一只相比正向壓偏低，其導(dǎo)入電流就會(huì)略高，溫度上升也會(huì)較快，因此正向壓降降低的速率將高于另一只，從而進(jìn)一步加劇不平衡。即使制造商成功選擇了匹配的二極管，但由于六對(duì)相互串聯(lián)，每一對(duì)的正向壓降也各不相同。這種情況下，整個(gè)面板的總電壓為單只HBLED正向壓降的六倍。該面板目前有六種不同顏色可供選擇，正向壓降在17V至21V之間。此外，公差相比之下也較大，如白光面板的電壓范圍為16到24V。電壓的溫度系數(shù)為-12mV⁄攝氏度，也就是說(shuō)如果在25度室溫下面板的電壓為17V，那么在溫度為50度時(shí)電壓將為16。7V。與此同時(shí)，無(wú)論在何種情況下，面板的額定電流都保持在700mA。

目前市場(chǎng)上出售的HBLED電源顯然無(wú)法為上述LED陣列提供電能，除非增加一個(gè)串聯(lián)限流電阻。增加這個(gè)電阻后額定17V的面板可以在24V定壓與700mA電流下正常工作，同時(shí)卻會(huì)產(chǎn)生(24-17)×0。7=0。49W的不必要散熱能耗。這有悖于節(jié)能照明的精神。另外，限流電阻也不是非常精確。當(dāng)用一個(gè)24V電源以700mA為一個(gè)17V面板供電時(shí)，可以計(jì)算出電阻值為：(24-17)/0。7=10W。然而，如果面板電壓只有16V，則供電電流變?yōu)?24-16)/10=800mA，遠(yuǎn)高于額定電流，會(huì)導(dǎo)致面板上LED的過(guò)驅(qū)動(dòng)，降低使用壽命。另一方面，如果面板電壓為18V，則電流為(24-18)/10=600mA，導(dǎo)致光輸出明顯減弱。毫無(wú)疑問(wèn)，在正向電壓隨溫度變化的效應(yīng)下，恒壓方案表現(xiàn)出明顯的缺陷，驅(qū)動(dòng)HBLED顯然需要恒流電源。

國(guó)際整流器公司最近推出了IRS2540控制IC，采用降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可在很寬的輸入電壓和輸出負(fù)載條件下提供穩(wěn)定的已調(diào)整電流源，適用于多種不需要隔離的應(yīng)用，比如電源已經(jīng)隔離，或類(lèi)似交通信號(hào)燈等HBLED被封裝在2級(jí)外殼中外界無(wú)法接觸的裝置。應(yīng)該指出的是，在建筑照明中，熒光燈或HID燈的電子鎮(zhèn)流器與交流線之間一般也不存在電流隔離。

Buck電路結(jié)構(gòu)只適用于輸入電壓高于輸出電壓的應(yīng)用情況，比如大多數(shù)的標(biāo)志牌、裝飾和建筑應(yīng)用場(chǎng)合。HBLED最常見(jiàn)的故障是短路，在串聯(lián)工作方式下，當(dāng)一支LED出現(xiàn)故障時(shí)，所有其它LED仍會(huì)正常工作。但在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，一支LED短路會(huì)導(dǎo)致所有其它LED熄滅。如圖1所示，如果陣列中一支HBLED出現(xiàn)短路故障，與其成對(duì)的另一只LED將不再工作，而其它LED仍能正常發(fā)光。

圖1典型的12支HBLED面板

基于IRS2540的Buck轉(zhuǎn)換器采用獨(dú)有的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，可連續(xù)監(jiān)控負(fù)載電流，并通過(guò)時(shí)間延遲滯后控制法，精確地調(diào)節(jié)電流，該方法已獲得專(zhuān)利。

圖2IRS2540LED轉(zhuǎn)換器

LED能夠從DC總線或直接從整流后的交流線上獲得電能，因此整個(gè)系統(tǒng)顯得非常簡(jiǎn)單靈活。無(wú)論Buck穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)處于ON還是OFF狀態(tài)，懸浮的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器都可以確保IRS2540探測(cè)LED的負(fù)載電流，從而提供優(yōu)勢(shì)明顯的平均電流控制功能。與此相反，其它系統(tǒng)只能在ON期間探測(cè)電流，只能采用峰值電流控制。由于平均電流控制器不僅僅在ON期間，同時(shí)也可以在OFF期間進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而能夠在更寬的線路和負(fù)載范圍上工作而不會(huì)超出設(shè)計(jì)極限，因此自身具有穩(wěn)定調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。

圖3IRS2540平均電流控制

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)理念就能實(shí)現(xiàn)非常精確的電流控制，且自身具有穩(wěn)定性，不需要復(fù)雜的電路分析。

由于LED負(fù)載需要最小紋波的直流電流，因此無(wú)論是峰值電流模式控制還是平均電流模式控制，都采用在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的恒流驅(qū)動(dòng)器。

在IRS2540例子中，必須注意限制硬切換過(guò)程中的應(yīng)力，即包含在負(fù)載電流超過(guò)或低于基準(zhǔn)電平的時(shí)間以及Buck開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變時(shí)間之間的定義延遲。這一延遲與負(fù)載電流(IFB)的dI/dT相結(jié)合部分決定了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的頻率與占空比，同時(shí)頻率與占空比還進(jìn)一步取決定于Buck電感、輸出電容值以及轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出電壓值。

由于輸出電流恒定，且開(kāi)路保護(hù)容易實(shí)現(xiàn)，因此這種結(jié)構(gòu)本身就提供過(guò)載和短路保護(hù)。

眾所周知，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)如果采用峰值電流控制并在連續(xù)模式下運(yùn)行，由于次諧波振蕩從而存在運(yùn)行不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

采用斜坡補(bǔ)償(slopecompensation)可以解決這一問(wèn)題，但目前市場(chǎng)上的某些LED控制器并不支持振蕩器電容連接，因此很難實(shí)施。另外，斜坡補(bǔ)償也會(huì)引起被檢測(cè)電流與實(shí)際LED負(fù)載電流之間的誤差。

也有人試圖采用固定OFF時(shí)間(而不是固定頻率)的工作方式來(lái)解決這一問(wèn)題。這樣雖然可以緩解次諧波振蕩問(wèn)題，且占空比也大于50%，但是，為了增加占空比必須降低頻率，從而導(dǎo)致頻率在占空比范圍內(nèi)的大幅波動(dòng)。

對(duì)一個(gè)50%占空比、100kHz頻率、固定OFF時(shí)間的系統(tǒng)，90%占空比時(shí)頻率必須為20kHz，而10%占空比時(shí)頻率為180kHz。

由于ON和OFF時(shí)間都可以獨(dú)立變化，占空比的變化從而對(duì)頻率幾乎沒(méi)有影響，因此IRS2540不存在上述限制。

頻率大范圍變動(dòng)的缺點(diǎn)是必須相應(yīng)增大電感值。

有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，從濾波器簡(jiǎn)單性考慮，固定頻率系統(tǒng)較基于IRS2540的可變頻率系統(tǒng)具有電磁兼容性(EMC)優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)在人們意識(shí)到這種觀點(diǎn)建立在固定頻率電路的濾波器設(shè)計(jì)比可變頻率系統(tǒng)簡(jiǎn)單這一誤解基礎(chǔ)上，因此固定頻率方案慢慢轉(zhuǎn)向可變頻率方案。不過(guò)，如果系統(tǒng)需要頻率變動(dòng)達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，系統(tǒng)對(duì)濾波器的要求會(huì)會(huì)相應(yīng)更高。

圖4中的開(kāi)發(fā)板演示了IRS2540工作原理：以1。2A電流驅(qū)動(dòng)一串17V正向電壓LED，直接采用經(jīng)整流的110V交流電源，在175kHz頻率下效率高達(dá)85%以上。

圖4IRS2540LED轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)板

很多應(yīng)用領(lǐng)域都需要調(diào)光功能。此外，主色調(diào)不同的LED相互組合可以通過(guò)調(diào)節(jié)各種顏色的強(qiáng)度產(chǎn)生所有光譜色，從而為顯示、標(biāo)識(shí)和氣氛照明產(chǎn)生各種不同效果?；贗RS2540的Buck穩(wěn)壓器系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)控制信號(hào)邏輯電平的全范圍內(nèi)作調(diào)節(jié)。PWM信號(hào)頻率相對(duì)較低，可用于切換LED驅(qū)動(dòng)電流的開(kāi)、關(guān)，并通過(guò)占空比在不改變光輸出顏色的情況下改變光輸出強(qiáng)度。

PWM調(diào)光控制信號(hào)如圖5所示。高頻Buck轉(zhuǎn)換振蕩器在“突發(fā)模式”下運(yùn)行，以調(diào)節(jié)LED的平均電流。信號(hào)頻率不會(huì)過(guò)低而產(chǎn)生閃爍。同時(shí)簡(jiǎn)化了與基于微控制器的調(diào)光控制電路的連接。

圖5調(diào)光工作

有了高亮度LED，建筑師、設(shè)計(jì)者、規(guī)范制定者和制造商能夠?yàn)閯≡骸⒐ぷ魇?、夜總?huì)、餐館和其它需要高亮照明的地點(diǎn)創(chuàng)造出前所未有的照明效果及燈光亮度。例如，通過(guò)使用DMX512協(xié)議等數(shù)字控制，各個(gè)角度都可以顯現(xiàn)出生動(dòng)變化的照明效果。無(wú)論燈具是嵌在臺(tái)面、天花板還是墻面，燈具尺寸都不再?zèng)Q定照明角度。伴隨HBLED技術(shù)的不斷改進(jìn)，照明世界正在經(jīng)歷天翻地覆的變化。

HBLED與白熾燈和熒光燈相比具有使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，以及不容易受到潮氣影響等優(yōu)勢(shì)，因而非常適合景觀照明與室外照明。與傳統(tǒng)燈泡不同，LED內(nèi)部沒(méi)有燈絲等易碎元件，無(wú)需輕拿輕放?；贗RS2540的轉(zhuǎn)換器是上述應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。