分析Boost和Buck-Boost等拓撲結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動

      LED光源生產(chǎn)商和設(shè)計者經(jīng)常會提到固態(tài)發(fā)光的應(yīng)用，最明顯的優(yōu)勢就像是“樹上掛得很低的水果”。例如花園路徑照明或者MR16杯燈常常只需要一些甚至只要一個LED。 對于低壓應(yīng)用來說，最通用的電壓是12VDC、24VDC和12VAC，這些應(yīng)用常常要用到一個Bulk調(diào)節(jié)器。雖然如前所述，Bulk是首選，但是在LED照明應(yīng)用中，隨著LED數(shù)量的增加，Boost調(diào)節(jié)器也得到了越來越多的應(yīng)用。設(shè)計者們不再滿足于手電筒或者單個杯燈應(yīng)用，而把目光投到大尺寸通用照明和達到幾千流明的照明系統(tǒng)。例如街燈、公寓和商業(yè)照明、體育場照明和建筑內(nèi)外裝飾照明。
　仍然需要常電流

　　如同線性和Buck衍生LED驅(qū)動一樣，Boost LED驅(qū)動設(shè)計中的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是要給陣列中的每個LED提供一個可控前向電流IF。理想狀態(tài)下，每個LED都有安裝一個單組鏈來確保通過每個設(shè)備的電流都相同。當(dāng)需要把輸入DC電壓提升到一個高DC輸出電壓的時候，Boost調(diào)節(jié)器是最簡單的選擇，因為它允許在給定電壓下串聯(lián)更多的LED。

　　圖1：帶有Vo計算的Bulk和BoostLED驅(qū)動：buck:VO=nxVF,VOVIN。

　　通用照明系統(tǒng)設(shè)計者通常需要把線路電壓設(shè)計成110VAC或者220VAC。如果功率因數(shù)校正（PFC）、隔離和線路諧波濾波都不需要的話，那么單級非隔離轉(zhuǎn)換器（buck,boost,或各種buck-boost拓撲）就可以使用AC電壓的校正輸出來直接驅(qū)動長串的串接LED。

　　然而，在很多情況下，我們需要使用一個中間DC總線電壓，它是由一個采用了通用AC輸入并且PFC、隔離和濾波的AC/DC調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的。包括法律要求在內(nèi)，一個低中間電壓總線降低了電介質(zhì)擊穿和電弧問題，使維修人員的的工作更安全。[!--empirenews.page--]

　　歐盟提出了世界上最嚴格的法律規(guī)定：任何高于25瓦的光源都要具有PFC。沒有幾年，北美和亞洲也做出了同樣的規(guī)定。諸如UL和CE這樣的安全標準電氣規(guī)定限制了供給boostLED驅(qū)動的AC/DC供電輸出電壓。通常電壓規(guī)定為12和24V，有時是48V。這些中間電壓總線很少超過60V，也就是ULClass2定為DC電壓的最高值。

　　Boost調(diào)節(jié)器

　　不管我們是否要控制輸出電壓或輸出電流，Boost調(diào)節(jié)器都要比Buck調(diào)節(jié)器更難設(shè)計。持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)（CCM）Boost轉(zhuǎn)換器中的平均感應(yīng)電流等于負載電流（LED電流）乘以1/(1-D)，這里D是占空度。Boost電壓調(diào)節(jié)器需要設(shè)計者考慮到輸入電壓的限制來保證電感的正確設(shè)計，特別是額定峰值電流。

　　Boost LED驅(qū)動加了一個可變輸出電壓，這個電壓影響了占空比，因此也影響了主電感器的電感值和額定電流。為了避免電感飽和，最大平均值和電流峰值必須由VIN-MIN和VO-MAX同時求出。例如，歷數(shù)加工、驅(qū)動電流和模具溫度，一個標準的白InGaN LED的VF可以從3V變到4V。串聯(lián)的LED越多，VO-MIN和VO-MAX的間距就越大。

　　不同于帶有輸出電感的Bulk調(diào)節(jié)器，Boost轉(zhuǎn)換器有一個非持續(xù)輸出電流。因此，輸出電容需要輸出電壓要持續(xù)（輸出電流也如此）。這里，電壓調(diào)節(jié)器中的輸出電容被設(shè)計成兼有濾波器并且在負載瞬變時可以保持輸出電壓，在電流調(diào)節(jié)中，它只是起到了類似一個AC電流濾波器的作用。電容值要盡量低，并且要與所期望的LED波動電流保持一致。輸出電容越?。ㄍ瑫r也可以盡量降低成本和大小），轉(zhuǎn)換器對輸出電流的回應(yīng)就越快，這樣LED的調(diào)光反應(yīng)就越好。

　　Boost轉(zhuǎn)換器的另外一個嚴峻挑戰(zhàn)是控制環(huán)。Buck調(diào)節(jié)器允許電壓模式的PWM控制、峰值電流模式的PWM控制、constant/controlledon-time以及其它的滯后控制。注意到處于CCM的Boost調(diào)節(jié)器（低功率、便攜設(shè)備除外）的右半平面零和在控制開關(guān)關(guān)閉的時候還在向輸出供電的特性，它們幾乎被限定在峰值電流模式PWM控制。要設(shè)計一個控制輸出電流的BoostLED驅(qū)動，控制環(huán)必須要把LED看作是負載來分析，這與Boost電壓調(diào)節(jié)器的典型負載非常不同。

　　在峰值電流模式控制中，負載阻抗對DC增益和控制到輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)的低頻極點有很大影響。對電壓調(diào)節(jié)器來說，負載阻抗由輸出電壓與輸出電流的比值來決定。LED是個擁有動態(tài)電阻的二極管。這個動態(tài)電阻只能通過做出VF(IF)曲線，然后用切線來找到希望的前向電流的斜率來決定。如圖1所示，電流調(diào)節(jié)器使用負載本身來作為反饋分頻器來閉環(huán)。這就使DC增益降低了(RSNS/(RSNS+rD))倍。

　　我們趨向于用一個簡單的積分器犧牲穩(wěn)定帶寬來補償BoostLED驅(qū)動。事實上是大多數(shù)或者說許多LED驅(qū)動應(yīng)用需要調(diào)光。無論調(diào)光是通過IF的線性調(diào)節(jié)(模擬調(diào)光)來完成，還是通過高頻打開或切斷輸出（數(shù)字或PWM調(diào)光）來實現(xiàn)，系統(tǒng)都需要像電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的高帶寬和快速瞬變回應(yīng)。

　　Buck-boost調(diào)節(jié)器

　　照明用LED的開發(fā)要比固態(tài)光源標準的發(fā)展快得多。大量不同種類的LED擁有很多不同的供電電壓。串聯(lián)的LED的數(shù)目、種類及其不同的加工和模具溫度都產(chǎn)生了不同的輸出電壓。例如，高端汽車正在過渡到利用LED來作為日間行駛燈。三個3瓦白色LED組成了一個12V1A的負載。汽車電壓系統(tǒng)通常需要持續(xù)工作于9到16V，并且可以延伸到*2V，使系統(tǒng)可以無損運行，但是其性能可能要有折扣。通常來說，Buck調(diào)節(jié)器是最好的LED驅(qū)動器，其次是Boost,但是在這個應(yīng)用中，他們沒有優(yōu)劣之分。如果一定要用Buck-boost調(diào)節(jié)器，最難的決定就是采用哪種拓撲。

　　任何拓撲的Buck-boost調(diào)節(jié)器和Buck調(diào)節(jié)器或Boost調(diào)節(jié)器的最基本的區(qū)別是Buck-boost從來沒有把輸入供電直接連接到輸出。在一部分轉(zhuǎn)換環(huán)中，Buck和Boost調(diào)節(jié)器把VIN連接到VO（通過電感和開關(guān)/二極管），這個直連使它們更有效率。

　　所有的Buck-boost都把所有要傳送給負載的能量儲存或者磁場（電感或變壓器）或者電場（電容）中，這樣就導(dǎo)致了電源轉(zhuǎn)換中的高峰值電流或者更高電壓。特別的一點是要考慮在輸入電壓和輸出電壓的拐角，因為峰值轉(zhuǎn)換電流發(fā)生在VIN-MIN和VO-MAX，但是峰值轉(zhuǎn)換電壓發(fā)生在VIN-MAX、VIN-MAX和VO-MAX。一般來說，這意味著擁有一個這樣的輸出功率的Buck-boost調(diào)節(jié)器要比一個同樣輸出功率的Buck或Boost調(diào)節(jié)器更大且效率更低。

　　單電感Buck-boost可以像Buck或Boost調(diào)節(jié)器一樣組建，使它在系統(tǒng)成本的角度來講很吸引人。這種拓撲的一個缺點是Vo被反置（圖2a）或者以VIN為參照（圖2b）。測平移動或者反偏電路必須要用一些轉(zhuǎn)換器。像boost轉(zhuǎn)換器，它們有一個不連續(xù)輸出電流，并且需要一個輸出電容來維持一個持續(xù)LED電流。功率MOSFET要承受一個峰值為IIN加上IF的電流還有一個峰值為VIN加上VO的電壓。

　　圖2：(a) 高端buck-boost                 (b)低端buck-boost

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　　其它拓撲

　　SEPIC轉(zhuǎn)換器擁有連續(xù)輸入電流的優(yōu)點，這個連續(xù)輸入電流是由輸入電感和正輸出電壓產(chǎn)生的。像boost和單電感buck-boost，它們需要一個輸出電容來維持一個平滑LED電流。另外一個SEPIC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是幾乎任何一個低端調(diào)節(jié)器或者控制器都可以被設(shè)置成為一個毋需反偏或測平移動電路的SEPIC。

　　圖3：SEPICLED驅(qū)動

　　很少被用作電壓調(diào)節(jié)的Cuk轉(zhuǎn)換器作為LED驅(qū)動而嶄露頭角。輸入和輸出電流都是連續(xù)的。輸出電壓的極性就像高端buck-boost一樣被反置，但是輸出電容像buck轉(zhuǎn)換器一樣被消除。除Buck-boost和boost以外，Cuk是擁有這種能力的唯一的實用型非隔離調(diào)節(jié)器。

　　圖4：Cuk調(diào)節(jié)器

　　由于Boost和Buck-boost調(diào)節(jié)器的高度復(fù)雜性及其外圍電路、低效（特別是Buck-boost）和控制拓撲的選擇不足，致使它們都不是轉(zhuǎn)換LED驅(qū)動的首選。但是它們都是LED越來越多的照明應(yīng)用必不可少的。某些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以用buck或者甚至是線性以調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動來替代。比如類似于街燈的大型光源需要一百甚至更多的1W＋LED。一般來說，針對通用照明的LED從低功耗走向高功耗，并且在其中間舞臺，比如汽車前燈和小型光部件，boost和buck-boost調(diào)節(jié)器代表了常電流驅(qū)動的最佳選擇。