LED的高效驅(qū)動(dòng)分析

引言

　　白熾燈泡可以發(fā)出各種各樣的光線，但是在具體的應(yīng)用中，通常只需要綠色、紅色以及黃色光線——例如交通信號(hào)燈。若要使用白熾燈泡，則需要一個(gè)濾波器，這會(huì)浪費(fèi)掉 60% 的光能，而 LED 則可以直接產(chǎn)生所需顏色的光線，并且在上電時(shí)，LED 幾乎是瞬間發(fā)光，而白熾燈則需要 200ms的響應(yīng)時(shí)間。因此，在剎車(chē)燈設(shè)計(jì)中采用了 LED。另外，LED 將作為光源在 DLP 視頻應(yīng)用中使用，以替代機(jī)械匯編 (mechanical assembly)，其可進(jìn)行高頻率的切換。
 

　　LED的I-V 特性

　　圖 1 顯示了典型 InGaAlP LED(黃色和琥珀紅)的正向電壓特性。也可以把 LED 作為電壓源與電阻串聯(lián)建模，并查看模型與實(shí)際測(cè)量之間的良好關(guān)聯(lián)性。電壓源有一個(gè)負(fù)的溫度系數(shù)，當(dāng)結(jié)溫上升時(shí)，電壓源的正向電壓會(huì)發(fā)生負(fù)的變化。InGaAlP LED的系數(shù)在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之間，而 InGaN LED(藍(lán)色、綠色和白色)的系數(shù)則在-3.6mV/K~-5.2mV/K 之間。這就是為什么不能直接對(duì) LED 進(jìn)行并聯(lián)的原因。產(chǎn)生熱量最多的器件需要更大的電流，更大的電流會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而引起散熱失控。

　　圖1 LED作為電阻與電壓源串聯(lián)建模

　　圖2顯示了作為工作電流函數(shù)的相對(duì)光輸出(光通量)。很明顯，光輸出與二極管電流是密切相關(guān)的，因此，可以通過(guò)改變正向電流進(jìn)行調(diào)光。并且，在電流較小時(shí)，曲線幾乎是一條直線，但是在電流增大時(shí)，其斜率變小了。這就是說(shuō)，在電流較低的時(shí)候，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會(huì)增加一倍;但是電流較高的時(shí)候，情況就不是這樣了：電流上升 100% 僅能使光輸出量增加 80%。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)?LED 是由開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)的，這會(huì)導(dǎo)致在 LED 中產(chǎn)生相當(dāng)大的紋波電流。實(shí)際上，電源的成本在某種程度上是由所允許的電流大小決定的，紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會(huì)因此受到影響。

　　圖2 電流超過(guò) 1A以上，LED效率就會(huì)降低

　　圖3量化顯示了疊加于 DC 輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出的減少。在絕大多數(shù)情況下，該紋波電流的頻率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼對(duì)光線的響應(yīng)是指數(shù)式的，不能察覺(jué)出小于 20% 的光線減弱。因此，即使 LED 中出現(xiàn)相當(dāng)大的紋波電流，也不會(huì)察覺(jué)出光輸出的減少。

　　圖3 紋波電流對(duì)LED光輸出的輕微影響

　　紋波電流也通過(guò)提高功耗而影響 LED 性能，這可能導(dǎo)致結(jié)溫升高，并對(duì) LED 的使用壽命產(chǎn)生重大影響。

　　圖4 量化顯示了由于紋波電流造成的LED功耗的升高。與LED的散熱時(shí)間常量相比，由于紋波頻率較高，因此，高紋波電流(以及高峰值功耗)不會(huì)影響峰值結(jié)溫，它是由平均功耗確定的。LED的高壓降如一個(gè)電壓源，因此，電流波形對(duì)功耗沒(méi)有影響。不過(guò)，壓降有一個(gè)電阻分量，并且功耗由電阻乘以均方根 (RMS)電流的平方確定。

　　圖4 紋波電流增加了LED的功耗

　　圖4 也闡明了即使在紋波電流較大的時(shí)候，對(duì)功耗也沒(méi)有重大影響。例如，50%的紋波電流僅增加不足5%的功率損耗。當(dāng)大大超過(guò)此水平時(shí)，需要減小電源的DC電流以保持結(jié)溫不變，從而維持半導(dǎo)體的使用壽命。經(jīng)驗(yàn)法則顯示，結(jié)溫每降低10%，半導(dǎo)體使用壽命就會(huì)延長(zhǎng)兩倍。并且，許多設(shè)計(jì)都傾向于更小的紋波電流，這是因?yàn)?strong>電感器的限制。絕大多數(shù)電感的設(shè)計(jì)處理能力小于20%的Ipk/Iout紋波電流比率。

　　
典型應(yīng)用

　　LED 中的電流在很多情況下都是由鎮(zhèn)流電阻或線性穩(wěn)壓器控制的。不過(guò)，本文主要講述的是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。在驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)常用的三種基本電路拓?fù)錇椋航祲和負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系。

　　在輸出電壓始終小于輸入電壓的情況下，應(yīng)使用降壓穩(wěn)壓器，圖5顯示了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路中，對(duì)電源開(kāi)關(guān)的占空比 (duty factor) 進(jìn)行了控制，以在輸出濾波器電感 L1 上確立平均電壓。當(dāng)FET開(kāi)關(guān)閉合時(shí)(TPS5430 內(nèi)部)，其將輸入電壓連接到電感器，并在L1中構(gòu)建電流。D2為環(huán)流二極管 (catch diode)，可提供開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電流路徑。電感器可對(duì)流過(guò)LED的電流起到平滑的作用，該工作可通過(guò)用電阻監(jiān)控(測(cè)量)LED電流，并將電壓與控制芯片內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，最終進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升，從而也導(dǎo)致了電流的升高。該電路具有極佳的效率，因?yàn)殡娫撮_(kāi)關(guān)、環(huán)流二極管以及電流感測(cè)電阻上的壓降非常低。

　　圖5 降壓LED驅(qū)動(dòng)器逐步降低輸入電壓

　　當(dāng)輸出電壓總是比輸入電壓大時(shí)，最好采用升壓轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。該電路的U1有一個(gè)帶有控制電子器件的高度集成的電源開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流流過(guò)電感器到接地。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，U1的引腳 1 電壓會(huì)升高，直到D1導(dǎo)通。然后電感器放電，電流進(jìn)入輸出電容器(C3)和LED串。在絕大多數(shù)應(yīng)用中，C3通常用于平滑LED電流。如果沒(méi)有C3，則 LED電流將是斷斷續(xù)續(xù)的。也就是說(shuō)，它會(huì)在零和電感電流之間切換，這會(huì)導(dǎo)致 LED 熱量增加(從而縮短使用壽命)，亮度減少。在前面的例子中，LED 的電流是通過(guò)一個(gè)電阻感測(cè)的，并且占空比會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。請(qǐng)注意，本拓?fù)浯嬖谝粋€(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，即它沒(méi)有短路保護(hù)電路。若輸出短路，則會(huì)有較大的電流通過(guò)電感器和二極管，從而導(dǎo)致電路失效，或者輸入電壓崩潰。

　　圖6 高度集成的升壓LED驅(qū)動(dòng)器逐步升高輸入電壓

　　許多時(shí)候輸入電壓范圍變化很大，可以高于或低于輸出電壓，此時(shí)降壓拓?fù)浜蜕龎和負(fù)浣Y(jié)構(gòu)就不起作用了。并且，可能在升壓應(yīng)用中需要短路保護(hù)。在這些情況下，就需要使用降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7)。當(dāng)電源開(kāi)關(guān)閉合、電感器有電流通過(guò)時(shí)，該電路就相當(dāng)于升壓電路;當(dāng)電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感器開(kāi)始放電，電流進(jìn)入輸出電容和 LED。不過(guò)，輸出電壓不是正的，而是負(fù)的。此外，請(qǐng)注意本拓?fù)渲胁淮嬖谏龎恨D(zhuǎn)換電路中出現(xiàn)的短路問(wèn)題，因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)使電源開(kāi)關(guān)Q1開(kāi)路，提供了短路保護(hù)功能。該電路的另一個(gè)特性是，雖然它是一個(gè)負(fù)的輸出，但并不需要對(duì)傳感電路的電平進(jìn)行切換。在本設(shè)計(jì)中，控制芯片接地到負(fù)的輸出，并且可直接測(cè)量電流感測(cè)電阻R100上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個(gè)LED，但是通過(guò)串聯(lián)可以連接許多LED。電壓的上限是控制芯片的最大額定電壓;輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過(guò)該限值。

　　圖7 降壓/升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍
關(guān)閉控制環(huán)路

　　關(guān)閉 LED 電源上的電流環(huán)路比關(guān)閉傳統(tǒng)電源上的電壓環(huán)路簡(jiǎn)單。環(huán)路的復(fù)雜性取決于輸出濾波器的配置。圖8顯示了三種可能的配置：只有一個(gè)簡(jiǎn)單電感器的濾波器(A);一個(gè)典型的電源濾波器(B);以及一個(gè)修正后的濾波器(C)。

　　圖8 電位輸出濾波器設(shè)置

　　為每一個(gè)功率級(jí)都構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的P-Spice模型，以闡明每一功率級(jí)控制特性的區(qū)別。降壓功率FET和二極管的切換建模為電壓控制的電壓源，增益為10dB，而LED則建模為與6V電壓源串聯(lián)的3W電阻。在LED和接地之間添加了一個(gè)1W的電阻，用于對(duì)電流進(jìn)行感測(cè)。在電路A中，該響應(yīng)來(lái)自穩(wěn)定的一階系統(tǒng)。DC增益由電壓控制的電壓源確定，LED電阻和電流感測(cè)電阻構(gòu)成了分壓器，系統(tǒng)的極性由輸出電感和電路電阻決定，補(bǔ)償電路則由類(lèi)型2放大器構(gòu)成。電路 B 由于增加了輸出電容，因此有二階響應(yīng)。若 LED 的紋波電流過(guò)大并達(dá)到難以接受的程度，則可能要求該輸出電容工作，這是由于 EMI 或熱量等問(wèn)題的出現(xiàn)造成的。DC 增益與第一個(gè)電路一樣。不過(guò)，在輸出電感和電容確定的頻率處有一對(duì)復(fù)極點(diǎn)。

　　濾波器的總相移為180.若沒(méi)有很好地設(shè)計(jì)補(bǔ)償電流，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。補(bǔ)償電流的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電壓模式電源類(lèi)似，傳統(tǒng)電壓模式電源要求有一個(gè)類(lèi)型3的放大器。與電路 A 相比，補(bǔ)償電路增加了兩個(gè)組件以及一個(gè)輸出電容。在電路 3 中對(duì)輸出電容進(jìn)行重定位，以便更容易對(duì)電路進(jìn)行補(bǔ)償。LED 的紋波電壓與電路 B 類(lèi)似，所不同的是，電感的紋波電流流過(guò)電流感測(cè)電阻 R105。因此，在計(jì)算功耗時(shí)也要考慮到這一部分。該電路有一個(gè)零點(diǎn)，一對(duì)極點(diǎn)，并且其補(bǔ)償設(shè)計(jì)與電路 A 一樣簡(jiǎn)單，DC 增益也與前兩個(gè)電路相同。該電路的電容和 LED 串聯(lián)電阻引入了一個(gè)零點(diǎn)，并擁有兩個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)由輸出電容和電流感測(cè)電阻確定;另一個(gè)則由電流感測(cè)電阻和輸出電感確定。在高頻率時(shí)，其響應(yīng)與電路 A 一樣。

　　調(diào)光

　　通常需要對(duì) LED 進(jìn)行調(diào)光。例如，需要調(diào)節(jié)顯示器或建筑照明的亮度。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)有兩種方法：降低 LED 的電流，或快速對(duì) LED 進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。更有效率的方法是降低電流，因?yàn)楣廨敵霾⒉煌耆c電流呈線性關(guān)系，并且，LED 的色譜在電流小于額定值時(shí)會(huì)發(fā)生變化。人們對(duì)亮度的感知是指數(shù)型的，因此，調(diào)光可能需要對(duì)電流進(jìn)行很大更改，這會(huì)對(duì)電路設(shè)計(jì)造成很大的影響。考慮到電路的容差，滿(mǎn)電流值工作時(shí)，3%的調(diào)節(jié)誤差可以造成10%負(fù)載時(shí)的30%或更高的誤差。通過(guò)電流波形的脈寬調(diào)制 (PWM) 進(jìn)行調(diào)光更為準(zhǔn)確，盡管這種方法存在響應(yīng)速度問(wèn)題。在照明和顯示器應(yīng)用上，PWM頻率高于 100Hz，以使肉眼感覺(jué)不到閃爍。10% 的脈沖寬度在ms量級(jí)內(nèi)，并要求電源的帶寬大于 10kHz，此項(xiàng)工作可以通過(guò)圖8(A 與 C)中簡(jiǎn)單的環(huán)路完成。圖9為帶 PWM 調(diào)光功能的降壓功率級(jí)電路。在本例中，LED 輕松地閉合/斷開(kāi)電路。通過(guò)這種方式，控制環(huán)路總是處于激活狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)了極快的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　圖9 Q1 用于PWM LED電流

　　結(jié)語(yǔ)

　　車(chē)載電氣系統(tǒng)對(duì)電源質(zhì)量要求很高，因此，必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路，以避免在電壓超過(guò) 60V 時(shí)出現(xiàn)“拋負(fù)載”現(xiàn)象。建筑 LED 的電源設(shè)計(jì)問(wèn)題也很多，需要進(jìn)行功率因數(shù)矯正，以及對(duì)電流和亮度的控制。