讓LED更高效的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

1 引言

　　LED的市場(chǎng)越來(lái)越廣闊，究其原因，無(wú)外乎低廉的生產(chǎn)成本、高可靠性、極佳的效率以及瞬態(tài)響應(yīng)能力，無(wú)論是手持終端設(shè)備，還是車(chē)載乃至建筑照明，無(wú)不在用到LED。白熾燈在現(xiàn)在的生活中雖然還是應(yīng)用的主力，白熾燈泡可以發(fā)出各種各樣的光線(xiàn)，但是在具體的應(yīng)用中我們通常只需要綠色、紅色以及黃色光線(xiàn)--例如交通信號(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)一些光能，而LED則可以直接產(chǎn)生所需顏色的光線(xiàn)，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，LED比白熾燈更能使用這個(gè)時(shí)代的用電需求。

　　2 LEDI-V特性

　　圖1顯示了典型InGaAlPLED的正向電壓特征。您也可以把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)發(fā)生負(fù)的變化。InGaAlPLED（黃色和琥珀紅）的系數(shù)在-3.0mV/K到-5.2mV/K之間，而InGaNLED（藍(lán)色、綠色以及白色）的系數(shù)則在-3.6mV/K和-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(xiàn)幾乎是一條直線(xiàn)，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(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[!--empirenews.page--]

　　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(xiàn)的響應(yīng)是指數(shù)式的，不能察覺(jué)出小于20%的光線(xiàn)減弱。因此，即使LED中出現(xiàn)相當(dāng)大的紋波電流，我們也不會(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

　　此外，紋波電流還通過(guò)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。圖4給出了一個(gè)例子，其中LED的相對(duì)光輸出是時(shí)間和結(jié)溫的函數(shù)。如果我們確立了LED的使用壽命光輸出為額定的80%，則LED的使用壽命將從74攝氏度時(shí)的10000小時(shí)延長(zhǎng)到63攝氏度時(shí)的25000小時(shí)。

圖4 高結(jié)溫會(huì)縮短LED的使用壽命

　　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，其是由平均功耗決定的。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(méi)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到5%的功率損耗。當(dāng)大大超過(guò)此水平時(shí)，您需要減小電源的DC電流以保持結(jié)溫不變，從而維持半導(dǎo)體的使用壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)溫每降低10攝氏度，半導(dǎo)體的使用壽命就會(huì)延長(zhǎng)兩倍。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)的電感的設(shè)計(jì)旨在處理小于20%的Ipk/Iout紋波電流比率。

圖5 紋波電流增加了LED的功耗

　　3 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(xiàn)性穩(wěn)壓器進(jìn)行控制的。但是，本文中我們主要講述的是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)常用的三種基本的電路拓?fù)錇椋航祲和負(fù)?、升壓拓?fù)湟约敖祲?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。[!--empirenews.page--]

　　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(kāi)關(guān)的占空比（dutyfactor）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，并在L1中形成電流。環(huán)流二極管D2提供了開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(guò)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的電流的調(diào)節(jié)。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升--從而也就導(dǎo)致了電流的升高。由于電源開(kāi)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6 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的電源開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流流經(jīng)電感到接地。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，U1引腳1上的電壓會(huì)不斷升高，直到D1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(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），并且亮度減少。在前面的例子中，LED的電流是通過(guò)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(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)致電路故障，或者輸入電壓崩潰。

圖7 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，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，您可能非常想使用降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（請(qǐng)參見(jiàn)圖8）。當(dāng)電源開(kāi)關(guān)閉合、電感有電流通過(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)渲胁淮嬖谙裆龎恨D(zhuǎn)換轉(zhuǎn)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)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(guò)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(guò)該限值。

圖8 降壓-升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍

　　4 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)單的多。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）。

圖9 電位輸出濾波器結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]

　　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(kāi)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)，圖10顯示了其結(jié)果。在電路A中，該響應(yīng)就是穩(wěn)定的一階系統(tǒng)的響應(yīng)。DC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，補(bǔ)償電路則簡(jiǎn)單地由類(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，則可能需要該輸出電容，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度。若沒(méi)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。補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電壓模式電源相類(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，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3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(lèi)似，所不同的是電感的紋波電流流過(guò)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，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)零極，并擁有兩個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)由輸出電容和電流檢測(cè)電阻確定；另一個(gè)則由電流檢測(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。

圖10 電位濾波器的增益和相位圖

　　5 調(diào)光

　　通常，我們需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光。例如，您需要調(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：您既可以降低LED的電流，也可以快速地開(kāi)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(xiàn)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)光可能需要對(duì)電流進(jìn)行很大更改，這對(duì)電路設(shè)計(jì)會(huì)造成很大的影響?？紤]到電路的容差，滿(mǎn)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(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需要高于100Hz的頻率，以使肉眼感覺(jué)不到閃爍。10%的脈沖寬度在毫秒范圍內(nèi)，并要求電源的帶寬大于10kHz，此項(xiàng)工作可以通過(guò)圖9（A與C）中簡(jiǎn)單的環(huán)路輕松地完成。圖11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(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)（請(qǐng)參見(jiàn)圖12）。

圖11 Q1用于對(duì)LED電流進(jìn)行脈寬調(diào)制

圖12 PWM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)亞微秒的LED開(kāi)關(guān)速度

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　LED的應(yīng)用和前景我們都有目共睹，但在實(shí)際生活中仍存在不少問(wèn)題，需要去解決。在汽車(chē)應(yīng)用中，由于對(duì)可靠性和安全性的要求非常高，LED器件就得到了最大程度的應(yīng)用。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)電路避免在電壓超過(guò)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(wèn)題也很多，由于其經(jīng)常是離線(xiàn)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(lèi)產(chǎn)品要求快速的響應(yīng)、控制良好的電流、以及完美的開(kāi)關(guān)控制，這些都給設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)，也就意味著LED將趨向更廣闊的市場(chǎng)。