高效地驅(qū)動(dòng)LED

隨著LED生產(chǎn)成本的降低，其應(yīng)用范圍越來越廣，其中包括手持終端設(shè)備、車載以及建筑照明。LED 的高可靠性、極佳的效率以及瞬態(tài)響應(yīng)能力使得它們成為頗具吸引力的光源。盡管白熾燈泡的成本非常低，但是多次更換白熾燈泡也將是一筆很大的開銷，更換路燈就是個(gè)很好的例子。因此，在此類應(yīng)用中，使用 LED 可以大大降低成本。雖然LED和白熾燈泡的效率幾乎相同，但由于上述一些原因，在路燈中將用LED代替白熾燈泡，這樣不但可以提高可靠性，而且還能節(jié)省能源。

白熾燈泡可以發(fā)出各種各樣的光線，但是通常只需要綠色、紅色及黃色光線，如交通信號(hào)燈。若要使用白熾燈泡，則需使用一個(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，汽車行業(yè)在剎車燈設(shè)計(jì)中采用了LED。另外，LED將作為DLP視頻應(yīng)用中的光源，從而以快速開關(guān)的LED替代了機(jī)械組合。

圖1 LED作為電阻與電壓源串聯(lián)建模

LED I-V特性
圖1顯示了典型InGaAlP LED的正向電壓特征。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)量之間的密切關(guān)聯(lián)性。電壓源擁有一個(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)降低。InGaAlP LED（黃色和琥珀紅）的系數(shù)在-3.0～-5.2mV/K之間，而InGaN LED（藍(lán)色、綠色及白色）的系數(shù)則在-3.6～-5.2mV/K之間。這就是為什么不能直接對(duì)LED進(jìn)行并聯(lián)的一個(gè)原因。產(chǎn)生熱量最多的器件往往需要更大的電流，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2 電流超過1A以上，LED效率就會(huì)降低

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，在電流較低時(shí)，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會(huì)增加一倍；但是電流較高時(shí)，情況就截然不同了：電流上升100%僅能使光輸出量增加80%。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)長(zhǎng)ED是由開關(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3 紋波電流對(duì)LED光輸出的輕微影響

圖3量化顯示了疊加于直流輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出減少。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)察覺出光輸出的減少。

圖4 高結(jié)溫會(huì)縮短LED的使用壽命

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此外，紋波電流還通過提高功耗而影響LED性能，這可能導(dǎo)致結(jié)溫升高，而且對(duì)LED的使用壽命有重大影響。如圖4所示，LED的相對(duì)光輸出是時(shí)間和結(jié)溫的函數(shù)。如果確立了LED的光輸出為額定的80%，則LED的使用壽命將從74℃時(shí)的10 000小時(shí)延長(zhǎng)到63℃時(shí)的25 000小時(shí)。

圖5 紋波電流增加了LED的功耗

圖5量化顯示了由于紋波電流造成的 LED 功耗的增加。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。LED的大部分壓降就像一個(gè)電壓源，因此電流波形對(duì)功耗沒有影響。然而，壓降有一個(gè)電阻分量，并且功耗由該電阻乘以均方根(RMS)電流的平方?jīng)Q定。

圖5還闡明即使是在紋波電流較大時(shí)，對(duì)功耗也沒有重大影響。例如，50%的紋波電流僅增加不到5%的功率損耗。當(dāng)大大超過此水平時(shí)，需要減小電源的直流電流以保持結(jié)溫不變，從而維持半導(dǎo)體的使用壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)溫每降低10℃，半導(dǎo)體的使用壽命就會(huì)延長(zhǎng)2倍。并且，由于電感的限制，許多的設(shè)計(jì)都傾向于更小的紋波電流。絕大多數(shù)電感的設(shè)計(jì)旨在處理小于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)壓器進(jìn)行控制的。但是，本文中主要講述的是開關(guān)穩(wěn)壓器。在驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)常用的三種基本的電路拓?fù)錇榻祲和負(fù)?、升壓拓?fù)浼敖祲?升壓拓?fù)?。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。

圖6 降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器逐步降低輸入電壓

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6顯示了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路中，對(duì)電源開關(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開關(guān)閉合時(shí)（TPS5430內(nèi)部），其將輸入電壓連接到電感，并在L1中形成電流。環(huán)流二極管v2提供了開關(guān)斷開時(shí)的電流路徑。電感可對(duì)流經(jīng)LED的電流起到平滑的作用，通過用電阻監(jiān)控（測(cè)量）LED電流，并將該電壓與控制IC內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)LED的電流調(diào)節(jié)。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升，從而導(dǎo)致了電流的升高。由于電源開關(guān)、環(huán)流二極管以及電流檢測(cè)電阻上的壓降非常低，該電路可提供極佳的效率。

圖7 高度集成的升壓LED驅(qū)動(dòng)器逐步升高輸入電壓

圖8 降壓-升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍

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當(dāng)輸出電壓總是比輸入電壓大時(shí)，最好是采用如圖7所示的升壓轉(zhuǎn)換電路。該電路的U1中也有一個(gè)帶有控制電子器件的高度集成電源開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電流流經(jīng)電感到接地。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，U1引腳1上的電壓會(huì)不斷升高，直到v1導(dǎo)通，然后電感放電，電流進(jìn)入輸出電容器(C3)和LED串。在大多數(shù)應(yīng)用中，C3通常用于平滑LED電流。如果沒有C3，則LED 電流將是斷斷續(xù)續(xù)的。也就是說，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），并且亮度減少。在前面的例子中，LED的電流是通過一個(gè)電阻檢測(cè)的，并且占空比會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化。請(qǐng)注意本拓?fù)浯嬖谝粋€(gè)嚴(yán)重的問題，即它沒有短路保護(hù)電路。若輸出短路，則會(huì)有較大的電流通過電感器和二極管，從而導(dǎo)致電路故障，或者輸入電壓崩潰。

很多時(shí)候輸入電壓范圍變化很大，其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)（見圖8）。當(dāng)電源開關(guān)閉合、電感有電流通過時(shí)該電路就相當(dāng)于升壓電路；當(dāng)電源開關(guān)斷開時(shí)，電感開始放電，電流進(jìn)入輸出電容和LED。不過，輸出電壓不是正的，而是負(fù)的。此外，請(qǐng)注意本拓?fù)渲胁淮嬖谙裆龎恨D(zhuǎn)換轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的短路問題，因?yàn)殡娫撮_關(guān)Q1開路能提供短路保護(hù)功能。該電路的另一個(gè)值得注意的特性是，雖然其是一個(gè)負(fù)的輸出，但并不需要對(duì)傳感電路的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，控制IC接地到負(fù)的輸出，并且可直接測(cè)量電流檢測(cè)電阻R100上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個(gè)LED，但是通過串聯(lián)可以連接許多 LED。電壓的上限是控制IC的最大額定電壓，輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過該限值。

圖9 電位輸出濾波器結(jié)構(gòu)

關(guān)閉環(huán)控制電路
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)路要簡(jiǎn)單得多。環(huán)路的復(fù)雜性取決于輸出濾波器結(jié)構(gòu)。圖9顯示了三種可能的結(jié)構(gòu)：只有一個(gè)電感的簡(jiǎn)單濾波器(A)；典型的電源濾波器(B)；以及改良的濾波器(C)。

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 和二極管的開關(guān)動(dòng)作建模為壓控電壓源，增益為10，而LED則建模為與6V電壓源串聯(lián)的3Ω的電阻。在LED和接地之間添加了一個(gè)1Ω的電阻，用于對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)。在電路A中，該響應(yīng)就是穩(wěn)定的一階系統(tǒng)的響應(yīng)。直流增益由壓控電壓源（LED電阻和電流檢測(cè)電阻構(gòu)成的分壓器）確定，系統(tǒng)的極性由輸出電感和電路電阻決定。電路B由于增加了輸出電容，因此有二階響應(yīng)。若LED的紋波電流過大并達(dá)到難以接受的程度，則可能需要該輸出電容，這是由于EMI或熱量等問題的出現(xiàn)造成的。直流增益與第一個(gè)電路一樣。不過，在輸出電感和電容確定的頻率處有一對(duì)復(fù)極點(diǎn)。

圖10 Q1用于對(duì)LED電流進(jìn)行脈寬調(diào)制

圖11 PWM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)亞微秒的LED開關(guān)速度

濾波器的總相移為180°。若沒有很好地設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。與電路A相比，該補(bǔ)償電路增加了兩個(gè)組件以及一個(gè)輸出電容。在電路C中，我們對(duì)輸出電容進(jìn)行了重定位，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類似，所不同的是電感的紋波電流流過電流檢測(cè)電阻R105，因此在計(jì)算功耗時(shí)也要考慮到這一部分功耗。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差不多簡(jiǎn)單，直流增益也與前兩個(gè)電路相同。在高頻率時(shí)，其響應(yīng)與電路A一樣。

調(diào)光
通常，我們需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光。例如，需要調(diào)低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，或快速地開關(guān)LED。效率最低的方法是降低電流，因?yàn)楣廨敵霾⒉煌耆c電流呈線性，并且LED的色譜往往是在電流小于額定值時(shí)才會(huì)發(fā)生變化。請(qǐng)不要忘記，人們對(duì)亮度的感知是指數(shù)式的，因此調(diào)光可能需要電流進(jìn)行很大變化，這對(duì)電路設(shè)計(jì)會(huì)造成很大影響?？紤]到電路的容差，滿負(fù)載電流值工作時(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)速度問題。在照明和顯示器應(yīng)用上，PWM需要高于100Hz的頻率，以使肉眼感覺不到閃爍。10%的脈沖寬度在ms范圍內(nèi)，并要求電源的帶寬大于10kHz，此項(xiàng)工作可以通過圖9（A與C）中簡(jiǎn)單的環(huán)路輕松地完成。圖10闡明了帶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/斷開電路。通過這種方式，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)（見圖11）。

結(jié)論
雖然LED的應(yīng)用日益盛行，但仍有許多電源管理問題亟待解決。在需要高度可靠性和安全性的汽車市場(chǎng)上，LED器件得到了廣泛的應(yīng)用。車載電氣系統(tǒng)對(duì)電源質(zhì)量要求很高，因此，必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路避免在電壓超過60V時(shí)出現(xiàn)“拋負(fù)載”現(xiàn)象。建筑照明LED的電源設(shè)計(jì)問題也很多，由于其經(jīng)常是離線式運(yùn)行，因此需要進(jìn)行功率因數(shù)校正，以及對(duì)電流和亮度的控制。另外，LED正被廣泛地整合到投影和電視等產(chǎn)品中，此類產(chǎn)品要求快速的響應(yīng)、控制良好的電流，以及完美的開關(guān)控制，這些都給設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)。