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。