讓LED更高效的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)(2)

  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。

  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,對電源開關(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提供了開關(guān)斷開時(shí)的電流路徑。電感可對流經(jīng)LED的電流起到平滑的作用,通過用電阻監(jiān)控(測量)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。由于電源開關(guān)、環(huán)流二極管以及電流檢測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)電阻檢測的,并且占空比會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化。請注意本拓?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。

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)(請參見圖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)槠渫ㄟ^使電源開關(guān)Q1開路,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,并且可直接測量電流檢測電阻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)

  為每一個(gè)功率級都構(gòu)建一個(gè)簡單的P-Spice模型,以闡明每一功率級控制特性的區(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,用于對電流進(jìn)行檢測,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)償電路則簡單地由類型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。DC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復(fù)極點(diǎn)。

  濾波器的總相移為180度。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。補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電壓模式電源相類似,傳統(tǒng)電壓模式電源要求有一個(gè)類型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中我們對輸出電容進(jìn)行了重定位,以便更容易對電路進(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),一對極點(diǎn),并且其補(bǔ)償設(shè)計(jì)與電路A差不多簡單,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電阻確定;另一個(gè)則由電流檢測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。請不要忘記,人們對亮度的感知是指數(shù)式的,因此調(diào)光可能需要對電流進(jìn)行很大更改,這對電路設(shè)計(jì)會(huì)造成很大的影響??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)工作可以通過圖9(A與C)中簡單的環(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)(請參見圖12)。

圖11 Q1用于對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開關(guān)速度

  6 結(jié)語

  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題,需要去解決。在汽車應(yīng)用中,由于對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。車載電氣系統(tǒng)對電源質(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),也就意味著LED將趨向更廣闊的市場。