高效率LED驅(qū)動電源設(shè)計全解(2)

　　如果輸入電壓的變動范圍很大，有時高于輸出電壓，有時又低于輸出電壓，那么單純的降壓或升壓架構(gòu)就不適用。除此之外，升壓應(yīng)用還可能需要短路保護功能。在此狀況下，設(shè)計人員應(yīng)采用圖8所示的升降壓架構(gòu)。這個電路與升壓轉(zhuǎn)換架構(gòu)很類似，會在功率開關(guān)導(dǎo)通時建立電感電流，等到功率開關(guān)停止導(dǎo)通，電感電流就會通過輸出電容和LED。這種設(shè)計與升壓轉(zhuǎn)換架構(gòu)的區(qū)別在于輸出電壓不是正值，而是負電壓。此架構(gòu)還能在輸出短路時將開關(guān)Q1切斷，所以可以避免升壓架構(gòu)發(fā)生的短路問題。此電路的另一特點是盡管輸出為負電壓，感測電路卻不需執(zhí)行電壓位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換——因為控制組件的地線連接到負輸出端，并直接測量感測電阻R100兩端的電壓。圖8中雖然只有1個LED，實際應(yīng)用卻可串聯(lián)多顆。另外要注意的是，輸入電壓與輸出電壓的總和不能超過控制組件的最大電壓額定值。


　　
圖8：升降壓架構(gòu)支持很大的輸入電壓范圍

    控制回路設(shè)計

　　LED電源供應(yīng)的電流回路設(shè)計要比傳統(tǒng)電源供應(yīng)的電壓回路簡單。電流回路的復(fù)雜性是由輸出濾波架構(gòu)決定的。圖9就是三種常見架構(gòu)，分別是單純的電感濾波器（A）、典型的電源供應(yīng)濾波器（B）和改良型濾波器設(shè)計（C）。


　　
圖9：三種不同的輸出濾波架構(gòu)

　　為每個功率級電路建立簡單的P-Spice模型，以說明其控制特性的個別差異。其中降壓轉(zhuǎn)換功率FET與二極管的開關(guān)動作由一個10倍增益的壓控電壓源代表，LED由一個3Ω電阻串聯(lián)6V電壓源代表，LED與接地之間還有一個1Ω的電流感測電阻。模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10：三種濾波器架構(gòu)的增益與相位圖

　　電路A是相當(dāng)穩(wěn)定的一階系統(tǒng)響應(yīng)，其中，直流增益是由壓控電壓源、LED阻抗所構(gòu)成的分壓器以及電流感測電阻所決定，系統(tǒng)極點則由輸出電感與電路阻抗決定。補償電路設(shè)計也很簡單，只要使用乙類放大器即可。

　　電路B由于包含輸出電容，所以會有二階響應(yīng)。增加輸出電容是因為某些應(yīng)用在電磁干擾或散熱因素的考慮下，不能容忍LED出現(xiàn)太大的紋波電流，因此需要輸出電容來消除紋波電流。這個電路的直流增益與前面的電路相同，但它會在輸出電感和電容所決定的頻率點上產(chǎn)生一對復(fù)數(shù)極點。由于濾波電路的總相位移為180°，因此補償電路設(shè)計必須謹慎以免系統(tǒng)不穩(wěn)定。補償電路設(shè)計與采用丙類放大器的傳統(tǒng)電壓模式電源供應(yīng)很類似，但比電路A多出兩顆零件和輸出電容。

　　電路C則會重新安排輸出電容的位置，使電路補償更容易。LED兩端的紋波電壓與電路B很類似，只不過電感紋波電流會通過電流感測電阻R105，這在計算功耗時必須考慮。此電路的補償設(shè)計幾乎和電路A同樣簡單，直流增益也與前面兩種電路相同。電路共有1個零點和2個極點，零點由電容和LED串聯(lián)電阻產(chǎn)生。第一個極點由輸出電容和電流感測電阻決定，第二個極點由電流感測電阻和輸出電感決定。當(dāng)頻率很高時，此電路的響應(yīng)與電路A相同。

　　調(diào)光

　　許多應(yīng)用都需要LED調(diào)光功能，像是顯示器亮度控制和建筑照明調(diào)整。LED調(diào)光方式有兩種，一種是減少LED電流，另一種是讓LED快速導(dǎo)通和截止。由于輸出光強度不全與電流成正比，LED光譜在電流低于額定值時還常會移動，所以減少LED電流不是很有效率的做法。另外，人類的亮度感受還與光強度成指數(shù)關(guān)系，需大幅改變電流才能達到調(diào)光效果，這對電路設(shè)計造成很大影響，例如，電路容差（circuit tolerance）就能讓3%的滿負載電流誤差在10%負載時增為30%以上。

    電流波形脈沖寬度調(diào)變（PWM）雖然提供更精確的亮度調(diào)整，但響應(yīng)速度要特別注意，如照明和顯示器應(yīng)用就必須讓PWM速度超過100Hz，否則看起來會有閃爍的感覺。假設(shè)PWM頻率為100Hz，那么10%的脈沖寬度就已進入毫秒范圍，是故電源供應(yīng)必須提供10kHz以上的帶寬。圖9中的A和C簡單回路都能輕易達到此要求。圖11是包含PWM調(diào)光功能的降壓轉(zhuǎn)換功率級電路，會不停接通和切斷LED與電路的聯(lián)機。這種架構(gòu)讓控制回路永遠處于工作狀態(tài)，故能提供非常快速的瞬時響應(yīng) （見圖12）。


　　
　圖11：利用Q1對LED電流進行脈沖寬度調(diào)變


　　
圖12：PWM技術(shù)提供1μs以內(nèi)的LED切換速度

　　結(jié)語

　　盡管LED應(yīng)用日益流行，仍有許多電源管理問題需要解決。例如，LED在注重可靠性與安全性的汽車市場的應(yīng)用雖已大幅成長，但汽車電路系統(tǒng)的電源環(huán)境其實相當(dāng)嚴苛，所以保護電路設(shè)計必須能夠承受60V以上的電壓突降。